质子交换膜燃料电池技术的发展与应用

燃料电池用质子交换膜综述

1.1 概述

世界范围内的能源短缺问题越来越严重。对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重。然而，绝大多数能量的转化是热机过程实现的，转化效率低。在过去30年里，化石燃料减少，清洁能源需求增多。寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。因此，针对上述传统能源引来的诸多问题，提高能源的转换效率和寻求清洁新能源的研究获得越来越广泛的。

燃料电池(Fuel cell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能[1, 2]。而且，不受地域以及地理条件的限制。近年来，燃料电池得到了长足的发展，并且在不同的领域已得到了实际的应用。

1.2 燃料电池

燃料电池不受卡诺循环的限制，理论能量转化率高(在200°C以下，效率可达80％)，实际使用效率则是普通内燃机的2~3倍，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质[3]，环境友好。因此，燃料电池具有广阔的应用前景。下面从组成、分类和特点3个方面具体介绍一下燃料电池：

1.2.1 燃料电池的组成

燃料电池本质上是水电解的一个逆装置。在燃料电池中，氢和氧通过化学反应生成水，并放出电能。燃料电池基本结构主要由阳极、阴极和电解质3部分组成。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，加速电极上的电化学反应。两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等五大类型。以H2/O2燃料电池为例(图1-1)：H2进入燃料电池的阳极部分，阳极上的铂层将氢气转化成质子和电子。中间的电解质仅允许质子通过到达燃料电池的阴极部分。电子则通过外线路流向阴极形成电流。氧气进入燃料电池的阴极和质子，电子相结合生成水[4]。

图1. 1燃料电池工作示意图

1.2.2燃料电池的分类

通常燃料电池根据所用电解质的不同来划分，因为它决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。燃料电池按电解质的不同可分为五类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。表1.1列出了上述五种燃科电池的主要特点[5]。

质子交换膜燃料电池

学 院： 材料科学与工程学院

班 级： 13应用物理

组 员： 方毅、罗烈升

学 号：0120；0121

指导老师： 孙良良（博士）

时 间： 2016年5月28日

目录

PEMFC的结构……………………………………3

PEMCD的工作原理………………………………3

质子交换膜………………………………………4

PEMC的优点……………………………………4

PEMFC的应用前景………………………………5

PEMFC的发展概况………………………………6

PEMFC的结构

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。如图1

PEMFC的工作原理

图1

燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由三部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图2。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。

其工作原理如下：

1） 氢气通过管道或导气板到达阳极 。

2）在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢质子，并释放出2个电子，阳极反应为：

2H2-4e-=4H+ Eθ= 0. 000 V。

3）在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：

质子交换膜燃料电池在能源领域中的应用前景

质子交换膜燃料电池是一种无污染、高效能源的新型技术。它具有高效率、低污染、轻量化、安全等多种优点，被誉为新能源领域的“明日之星”。未来几年，随着技术的进一步成熟和市场需求的日益增长，质子交换膜燃料电池在能源领域中的应用前景无限。

一、质子交换膜燃料电池的基本原理

质子交换膜燃料电池是由“阳极、阴极、电解质和质子交换膜”四个部分构成。其基本工作原理是将燃料和氧气送入阳极和阴极中。这两种气体通过反应生成电荷和水，利用连通的电导质来传导电子，产生电流和电能。

在这个过程中，质子交换膜起到了重要的作用，它能够防止负离子通过，只允许氢离子通过，维持阳极和阴极之间的合适离子浓度。这样，就可以防止反应的中断和浓度极化的问题，提高了反应效率和能量转换效率。

二、质子交换膜燃料电池的优点

1、高能效。质子交换膜燃料电池的能量转换效率可达到60%，远高于传统发电方式的35%~40%，并且在低功率时效率更高。

2、零排放。质子交换膜燃料电池能够将燃料和氧气转化成电能，所产生的唯一废物为水，不会产生环境污染。

3、轻量化。质子交换膜燃料电池较其他电池更轻巧，且结构简单，用户操作和维护方便。

4、可靠性高。质子交换膜燃料电池没有活动部件、振动和腐蚀的问题，寿命长，运行稳定性好，不需多次维护。 三、质子交换膜燃料电池在能源领域中的应用前景

1、汽车领域。质子交换膜燃料电池被广泛应用于汽车领域，可以替代传统内燃机，实现燃料的清洁转换。目前，已经有许多汽车厂商推出了质子交换膜燃料电池汽车，并计划将其大规模商业化生产。

2、储能领域。质子交换膜燃料电池不仅可以将化学能转化为电能供电，还可以逆向反应，将电能转化为化学能进行储能。这使得质子交换膜燃料电池成为未来储能领域的热门选择。

3、航空航天领域。质子交换膜燃料电池具有发电效率高、噪音小、轻量化等特点，可以在无人机、航天器等领域广泛应用，提高效率、降低重量、提高稳定性。

质子交换膜燃料电池的原理和应用

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是现代燃料电池的一种，也是最常用的一种。它是一种环保，高效，可再生的能源，可在汽车，船舶，飞机，社区和工业生产等多个领域应用。本文将围绕其原理和应用进行论述。

一、PEMFC的原理

PEMFC是一种电化学能量转换器，主要由阳极，阴极，质子交换膜和电解液组成。以氢气作为燃料，氧气或空气作为氧化剂，水作为产物。整个反应过程中产生电子和质子，所以被称为电化学反应：

H2+2O2+4e-→2H2O

PEMFC的原理是在阳极上，水分子和氢分子发生催化氧化反应，分解为质子和电子。电子通过外部电路流向阴极，产生电流。质子通过质子交换膜进入阴极，与氧分子反应，形成水。反应前后的原子数和电荷数相等，所以PEMFC是一个零排放的系统。

二、PEMFC的应用

PEMFC具有杰出的环保性、高效性和可再生性，因此在各个领域都有广泛的应用。

1. 汽车

PEMFC在汽车领域的应用主要是氢燃料电动车，目前已有大批量的汽车厂商开始开发和推广PEMFC汽车。相比传统燃油汽车，PEMFC汽车具有零排放、低噪音、高性能、能源可再生等优点。

2. 航空

PEMFC在航空领域的应用可以大大提高航空器的燃油效率，同时降低航空器的排放。目前，一些国家已经开始开展PEMFC的应用研究，如燃料电池无人机和PEMFC飞机等。

3. 住房和社区

在住房和社区方面，PEMFC可以作为高效的发电设备，可以为住宅或社区提供电力，并且同时提供热能。这种方式具有高效、节能、环保、经济等优点。目前欧美一些国家已经开始推广PEMFC的应用。

4. 工业生产

PEMFC在工业生产领域的应用主要是作为备用发电机组或受限电网中的储能装置。其高效性和环保性是其他发电方式所无法比拟的。

三、PEMFC的未来

PEMFC作为一种全天候，高效，低污染，可再生绿色能源，具有广泛的应用前景。未来，PEMFC的应用领域将越来越多元化，同时也将在技术、成本等方面实现进一步的提高，从而更好地服务人类社会。