质子交换膜燃料电池的特点

昆明理工大学

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┊ 质子交换膜燃料电池

摘 要

能源和环境是全人类面临的重要课题，考虑可持续发展的要求，在电池领域质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术正引起能源工作者的极大关注。本论文简单介绍了一下质子交换膜燃料电池的组成、特点及其工作原理。详细的从质子交换膜燃料电池的质子交换膜的材料、电催化剂的种类、双极板材料及其贮氢技术的困难方面论述了质子交换膜燃料电池的关键技术；同时从质子交换膜燃料电池的研发现状及其在电动车动力源、家庭电源、分散站和军事领域的应用做以介绍。

关键词：质子交换膜燃料电池；质子交换膜；双极板；电催化剂

ABSTRACT

Energy and environment is the mankind faces an important subject，considering the

requirements of sustainable development，the Proton Exchange Membrane Fuel Cell（PEMFC）technology is attracting the attention of energy workers. In this thesis，the

introduction of proton exchange membrane fuel cell composition，working principle，domestic and international situation and its application prospects. In this thesis，a brief

proton exchange membrane fuel cell composition，characteristics，and how it works and its

氢能与质子交换膜燃料电池

1序言

为解决能源短缺、环境污染等问题，开发清洁、高效的新能源和可再生能源已十分紧迫。氢能因燃烧热值高、污染小、资源丰富成为新能源的对象，氢燃料电池作为氢能利用的有效手段，已被美国《时代》周刊评为21世纪有重要影响的十大技术之一。

2氢燃料电池工作原理

燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由3部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图13。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。

以质子交换膜燃料电池（pemfc）为例，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：

h2→2h++2e。

(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：1/2o2+2h++2e→h2o

总的化学反应为：h2+1/2o2＝h2o

电子在外电路形成直流电。因此，只要源源持续地向燃料电池阳极和阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。

3pemfc的特点及研发应用现状 燃料电池种类较多，pemfc以其工作温度低、启动快、能量密度高、寿命长等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电源和中、小型发电系统。

pemfc发电机由本体及其附属系统构成。本体结构除上述核心单元外，还包括单体电池层叠时为防止汽、水泄漏而设置的密封件，以及压紧各单体电池所需的紧固件等。附属系统包括：燃料及氧化剂贮存及其循环单元，电池湿度、温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元。图2是一个典型的pemfc发电系统示意图4。

(1)pemfc作为移动式电源的应用

pemfc作为移动式电源的应用领域分为两大类：一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要。实际应用是手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。从目前发展情况看，pemfc是技术最成熟的电动车动力电源。国际上，pemfc研究开发领域的权威机构是加拿大ballard能源系统公司。美国h-power公司于1996年研制出世界上第一辆以pemfc发电机为动力源的大巴士5。近年来，我国对燃料电池电动车的研发也极为重视，被列入国家重点科技攻关计划。上海神力公司、富原燃料电池有限公司、清华大学、中科院大连化物所已分别研制出游览观光车、中巴车样车，其性能接近或达到国际先进水平。

质子交换膜燃料电池

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。

两电极的反应分别为：

阳极(负极)：2H2-4e=4H+

阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O

注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V 之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。

电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆，如附图所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。 电堆的核心是MEA组件和双极板。MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。双极板常用石墨板材料制作，具有高密度、高强度，无穿孔性漏气，在高压强下无变形，导电、导热性能优良，与电极相容性好等特点。常用石墨双极板厚度约2～3.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。

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质子交换膜燃料电池的原理与技术

作者：曾勋

来源：《文艺生活·下旬刊》2018年第02期

摘要：在各类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）是最接地气的，它更加接近生活。在过去的20多年里，质子交换膜燃料电池已经取得了跨越式的进展，这让人们看到了它市场化商品化的曙光。本文注重讲述质子交换膜燃料电池的结构极其原理，并对其研究现状和发展前景进行剖析，以推动质子交换膜燃料电池技术取得更大的进步。

关键词：质子交换膜燃料电池；单电池；电堆技术；多孔扩散层

中图分类号：TM911.4 文献标识码：A 文章编号：1005-5312（2018）06-0258-03

一、质子交换膜燃料电池的结构

一个完整的质子交换膜由以下几个部分组成，质子交换膜、导电多空扩散层、膜与扩散层之间的催化剂、电池连接件与双极板。质子交换膜燃料电池原理示意图，如图1所示。

质子交换膜在燃料电池中比较特殊，它既起到了蓄电池中隔膜隔绝正负极的作用，也相当于蓄电池中的电解质。所以它有电子绝缘性和质子导电性。这也要求质子交换膜必须既要有蓄电池中隔膜的机械性能和化学稳定性，也要有电解质的导电特性。目前比较成熟的商业质子交换膜有杜邦化学公司的Nafion系列膜和Dow系列膜。它位于上述原理图的中央绿色的部分，导通H+，隔绝电子。

两个多空扩散层位于上述示意图质子交换膜的两边蓝色的部分，它既有集流体收集电流的作用，也是气体扩散的主要通道。多空扩散层具有较大的比表面积，以便于气体扩散和电流集流。另外它还要提供机械支撑，反应产物也经过这个多空扩散层排出。

质子交换膜与多空扩散层中间的部分是催化剂层，也是实验室中的电极。它是燃料和氧化剂分开进行电化学反应的场所，是整个电池的核心。目前，无论阴极还是阳极，大多采用Pt基或Pd基合金催化剂。氧气在阴极的还原反应速率较低，所以一般阴极Pt含量为阳极的6到10倍。虽然Pt系列的合金催化剂具有较好的催化性能，但是也存在明显的问题。Pt是一种贵金属，价格昂贵，这使得燃料电池的成本增加。它在催化性能上也不尽如人意，存在中间产物CO的毒化作用，稳定性和使用寿命都有待提高。当下对催化剂的研究也主要集中在改善这方面的问题。