质子交换膜燃料电池关键材料组

质子交换膜燃料电池应用质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种电化学器件，其通过将氢气和氧气化学反应的产物（水）转化为电能来提供电力。

PEMFC具有高效、高能量密度、低排放、环保等优点，因此在近年来被广泛应用于汽车、船舶、军事装备和航空航天等领域。

PEMFC由质子交换膜、阳极和阴极三部分组成。

质子交换膜是PEMFC的核心部件，它连接了两个电极，在电极之间形成了离子通道，使氢气和氧气得以在电极上发生反应。

阳极上氢气被氧化成质子和电子，质子穿过质子交换膜到达阴极，而电子则通过外部电路流回到阴极。

在阴极上，质子和电子再次结合生成水。

与传统的燃料电池相比，PEMFC具有多种优势。

PEMFC具有高效的电化学反应速率，从而能够输出高功率密度。

由于采用了质子交换膜，PEMFC能够工作在低温下，响应速度更加迅速。

PEMFC不需要氧化剂补偿，不产生污染物和温室气体。

实际应用中，PEMFC作为汽车动力系统的代表已经开始取得了一定的进展。

由于PEMFC 具有高效的转换效率、良好的环保性和低噪音等特点，因此得到了相关领域的广泛认可。

PEMFC具有很高的初始功率，其加速能力和加速储备能力非常优秀，在城市道路上能够快速加速，因此在清洁能源领域具有广泛的应用前景。

PEMFC的实际应用仍然面临一些挑战，主要包括催化剂的高成本、寿命、稳定性和快速失活等问题。

氢气储存和氢气加注技术也需要得到进一步的完善。

使PEMFC的实际应用更加广泛和普及化需要各种领域的专家不断优化PEMFC的材料和技术，从而实现成本的降低和寿命的延长。

PEMFC作为清洁能源领域的重要技术之一，在未来几年内将得到不断的完善和发展，其在交通、军事、航空航天等领域的应用前景十分广阔。

PEMFC技术的发展需要通过材料、工艺等多个方面的改进来实现。

催化剂材料是影响PEMFC性能的关键因素之一。

目前，大多数PEMFC中使用的催化剂是铂及其合金，但铂是一种稀有金属，价格昂贵，制约了PEMFC的大规模商业化应用。

质子交换膜燃料电池材料的研究及应用随着人们对可再生能源和清洁能源的需求不断提高，燃料电池作为一种新型的能源转换设备也受到了广泛的关注。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是目前应用最为广泛的一种燃料电池，其原理是通过将氢气和氧气在催化剂的作用下反应，产生电能和水。

质子交换膜是PEMFC的核心材料，它直接影响燃料电池的性能和稳定性。

因此，研究和开发高性能、高稳定性的质子交换膜材料已成为PEMFC技术发展的关键。

一、质子交换膜的种类目前市场上比较常见的质子交换膜材料有：聚四氟乙烯（PTFE）、氟化磺酸聚合物（PFSA）、聚苯并咪唑（PBI）等。

其中，PFSA是目前应用最为广泛、性能最为优越的质子交换膜材料。

PFSA的共聚物结构中含有苯环，并且与磺酸化的氟碳化合物链相连，具有较好的热稳定性、耐久性和酸碱稳定性。

此外，还有一些新型的质子交换膜材料正在研发中，如磺化聚苯乙烯（SPS）、酸催化聚合物（ACP）、高分子/无机复合质子交换膜材料等。

二、质子交换膜的性能指标质子交换膜材料的性能指标主要包括：质子导电性、耐久性、化学稳定性、热稳定性、机械强度等。

其中，质子导电性是影响燃料电池性能的重要因素之一，质子交换膜的导电性能需要高，同时也需要具备良好的耐久性。

燃料电池在使用过程中，质子交换膜还需要具有良好的化学稳定性、热稳定性和机械强度等，以保证其长期运行稳定。

三、质子交换膜材料的研究进展随着质子交换膜材料的研发和制备技术的不断提高，各种新型质子交换膜材料已经出现。

其中，高分子共价网络（CPN）材料是一种非常有前景的质子交换膜材料。

CPN材料是将可溶性高分子与二胺在酸性介质中缩合形成的网状结构，具备优异的导电性和稳定性。

此外，金属有机骨架（MOF）复合质子交换膜材料也备受关注。

MOF具有极高的比表面积和孔隙结构，可以有效地提高质子交换膜材料的导电性能和稳定性。

四、质子交换膜燃料电池的应用前景质子交换膜燃料电池是一种非常环保、高效、低碳的能源转换设备，具备广泛的应用前景。

氢燃料电池质子交换膜
氢燃料电池中的质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）是电池的关键组件之一。

质子交换膜作为电池的电解质，主要用于将氢气的质子与氧气的电子分开，并允许质子在电极之间传递。

质子交换膜通常由质子导电的聚合物材料制成，最常用的质子交换膜材料是聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）改性的聚合物膜。

这种膜具有良好的质子导电性能、较高的化学稳定性和耐高温性。

质子交换膜需要具备以下特点：
1. 良好的质子传导性能：质子交换膜应具有高的质子传导率，能够有效地将氢气的质子从负极传输到正极。

2. 优异的物理和化学稳定性：质子交换膜在氢氧电池工作环境中需要具备较高的耐酸碱性、耐高温和耐气体腐蚀性能，以确保电池的长期稳定运行。

3. 低阻抗：质子交换膜应尽可能降低电池的内阻，以提高电池的功率输出能力。

4. 兼容性：质子交换膜应与其他电池组件（电极、催化剂等）相容，以实现良好的电池性能和长寿命。

质子交换膜作为氢燃料电池的关键技术之一，其性能的提升可以显著改善电池的效率、寿命和可靠性，并推动氢能技术在可持续能源领域的应用。

氢燃料电池堆结构氢燃料电池堆结构氢燃料电池堆是一种将氢气与氧气反应产生电能的装置，具有高效、清洁、环保等优点，因此在未来能源领域具有广阔的应用前景。

本文将详细介绍氢燃料电池堆的结构，包括其组成部分、工作原理和应用场景等方面。

一、组成部分1.1 电极板电极板是氢燃料电池堆中最重要的组成部分之一，其主要作用是承载反应物和产物，并使其在正常工作条件下进行反应。

通常情况下，电极板由金属材料制成，例如铜、镍、钛等。

1.2 质子交换膜质子交换膜是连接阳极和阴极的关键部件。

它可以使质子从阳极传递到阴极，并防止其他物质进入反应区域。

目前市场上常见的质子交换膜有聚合物膜和无机膜两种。

1.3 催化剂层催化剂层是将氢和氧转化为水的关键环节。

它由铂或其他金属催化剂和碳载体组成，其作用是加速氢和氧的反应速度。

1.4 冷却系统冷却系统是氢燃料电池堆中必不可少的部分。

它可以将产生的热量排出，使电池保持在适宜的工作温度范围内。

冷却系统通常由水或空气冷却器组成。

1.5 氢气供应系统氢气供应系统是将储存的氢输送到电极板上的管道和阀门等设备。

它负责将高压储存的氢输送到燃料电池堆中进行反应。

二、工作原理2.1 反应过程在正常工作状态下，氢通过管道进入阳极侧，同时空气进入阴极侧。

在阳极侧，质子交换膜将水分子分解成质子和电子。

质子通过膜进入阴极侧，而电子则通过外部电路流动到阴极侧。

在阴极侧，质子、电子和空气中的氧结合形成水，并释放出能量。

2.2 优点与传统化石燃料发电相比，燃料电池具有以下优点：（1）高效：燃料电池的能量转换效率可以达到40%以上，而传统化石燃料发电的能量转换效率只有30%左右。

（2）清洁：燃料电池产生的唯一废气为水蒸气，不会产生二氧化碳和其他有害气体。

（3）环保：燃料电池使用的是可再生能源，如太阳能、风能等。

三、应用场景3.1 汽车领域氢燃料电池在汽车领域具有广泛的应用前景。

由于其高效、环保等优点，越来越多的汽车制造商开始将其作为替代传统内燃机的动力源。

质子交换膜燃料电池的基本结构（一）如图1所示，质子交换膜燃料电池的基本结构主要由质子交换膜、催化剂层、扩散层、集流板（又称双极板）组成。

聚合物电解质膜被碳基催化剂所覆盖，催化剂直接与扩散层和电解质两者接触以求达到最大的相互作用面。

催化剂构成电极，在其之上直接为扩散层。

电解质、催化剂层和气体扩散层的组合被称为膜片-电极组件。

①质子交换膜质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件，是一种厚度仅为50～180 um的薄膜片，其微观结构非常复杂。

它为质子传递提供通道，同时作为隔膜将阳极的燃料与阴极的氧化剂隔开，其性能好坏直接影响电池的性能和寿命。

它与一般化学电源中使用的隔膜有很大不同，它不只是一种隔离阴阳极反应气体的隔膜材料，还是电解质和电极活性物质（电催化剂）的基底，即兼有隔膜和电解质的作用；另外，PEM还是一种选择透过性膜，在一定的温度和湿度条件下具有可选择的透过性，在质子交换膜的高分子结构中，含有多种离子基团，它只容许氢离子（氢质子）透过，而不容许氢分子及其他离子透过。

(a) PEMFC的基本结构(b)质子交换膜燃料电池组的外观图1 质子交换膜燃料电池的基本结构质子交换膜燃料电池对于质子交换膜的要求非常高，质子交换膜必须具有良好的质子电导率、良好的热和化学稳定性、较低的气体渗透率，还要有适度的含水率，对电池工作过程中的氧化、还原和水解具有稳定性，并同时具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结合的性能。

质子交换膜的物理、化学性质对燃料电池的性能具有极大的影响，对性能造成影响的质子交换膜的物理性质主要有：膜的厚度和单位面积质量、膜的抗拉强度、膜的含水率和膜的溶胀度。

质子交换膜的电化学性质主要表现在膜的导电性能（电阻率、面电阻，电导率）和选择通过性能（透过性参数P）上。

a．膜的厚度和单位面积质量。

膜的厚度和单位面积质量越低，膜的电阻越小，电池的工作电压和能量密度越大；但是如果厚度过低，会影响膜的抗控强度，甚至引起氢气的泄漏而导致电池的失效。

2021年第5期刘颖1,2赵洪辉1,2盛夏1,2潘兴龙1,2（1.中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春130013；2.汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春130013）【摘要】质子交换膜燃料电池（PEMFC ）的发展显示出了它成为清洁、高效和可靠电源的潜力。

双极板（BP ）作为PEM⁃FC 的关键部件之一，具有提供电气连接、输送反应气体、消散反应热、去除副产物的作用，但也是制约PEMFC 成本的主要因素之一。

根据双极板材料的不同可以分为金属双极板、石墨双极板和复合材料双极板，本文综述了双极板材料(金属、无孔石墨和复合材料)及其制备工艺。

其中，金属双极板因其优异的机械和物理性能，与无孔石墨及复合材料相比具有较强的成本优势，在乘用车应用中备受关注，但其制造工艺和耐腐蚀性是金属双极板的主要关注点。

未来，开发出优良的耐蚀性和导电性涂层或新型的双极板金属材料将极大地促进PEMFC 在乘用车领域的应用。

主题词：质子交换膜燃料电池双极板石墨金属复合材料中图分类号：U469.72+2;U473.4文献标识码：ADOI:10.19822/ki.1671-6329.20200237Review on Materials and Preparation of Proton Exchange MembraneFuel Cell Bipolar PlatesLiu Ying 1,2,Zhao Honghui 1,2,Sheng Xia 1,2,Pan Xinglong 1,2（1.General Research and Development Institute,China FAW Corporation Limited,Changchun 130013;2.State KeyLaboratory of Comprehensive Technology on Automobile Vibration and Noise &Safety Control,Changchun 130013）【Abstract 】The development of Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC)shows its potential to become aclean,efficient,and reliable power source.Bipolar Plates (BP),as one of the key components of PEMFC,provide electricalconnections,transport reaction gases,however,the functions of dissipating reaction heat and removing by-products are also the main factors restricting the cost of PEMFC.BP can be divided into metal BP,graphite BP and composite BP according to different materials.This article reviews BP materials (metal,non-porous graphite and composite materials)and theirpreparation methods.Among them,the metal BP has a strong cost advantage compared with non-porous graphite and composite materials due to its excellent mechanical and physical properties so that it has attracted much attention in passenger car applications.While the main focus of the polar plate is its manufacturing process and corrosion resistance.Inthe future,the development of excellent corrosion resistance and conductive coatings or new BP metal materials will greatly promote the application of PEMFC in the passenger car field.Key words:Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC),Bipolar plates,Graphite,Metal,Composite material【欢迎引用】刘颖,赵洪辉,盛夏,等.质子交换膜燃料电池双极板材料及制备综述[J].汽车文摘,2021(5):48-54.【Cite this paper 】Liu Y,Zhao H,Sheng X,et al.Review on Materials and Preparation of Proton Exchange Membrane Fuel Cell BipolarPlates [J].Automotive Digest (Chinese),2021(5):48-54.质子交换膜燃料电池双极板材料及制备综述*1前言为了缓解由化石燃料燃烧导致的环境污染和温室效应的问题，急需新型清洁能源的开发[1]。

燃料电池质子交换膜材料燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，其中质子交换膜材料是燃料电池的重要组成部分之一。

质子交换膜（Proton Exchange Membrane，简称PEM）是燃料电池中用于分隔阳极和阴极的膜材料，它具有良好的质子传导性能和较高的化学稳定性，是实现燃料电池高效工作的关键。

质子交换膜材料主要包括有机膜和无机膜两类。

有机膜主要是指聚合物质子交换膜，常用的有氟化聚合物质子交换膜（例如聚四氟乙烯基质的氟磺酸树脂膜）和磺酸树脂质子交换膜（例如聚苯乙烯基质的磺酸树脂膜）。

无机膜则主要是指氧化物质子交换膜，常用的有磷酸盐质子交换膜和磷酸盐掺杂氧化物质子交换膜。

有机膜质子交换膜具有很高的质子传导性能和较好的化学稳定性，但在高温和低湿条件下容易失水而导致性能下降。

而无机膜质子交换膜则具有较好的耐高温和低湿性能，但质子传导性能较有机膜较差。

因此，在应用中需要根据具体的工作条件选择合适的质子交换膜材料。

质子交换膜材料的性能取决于其结构和成分。

一般来说，质子交换膜材料的结构应具有一定的亲水性，以促进质子的传导。

同时，膜材料的成分应具有较高的质子传导性和化学稳定性，以确保燃料电池的长期稳定运行。

在燃料电池中，质子交换膜材料的主要功能是分隔阳极和阴极，同时允许质子通过而阻止电子的通过。

这样可以保证氢气在阳极被氧化产生质子，并通过质子交换膜传递到阴极，与氧气发生还原反应生成水。

质子交换膜材料的良好性能可以提高燃料电池的效率和稳定性。

除了质子传导性能和化学稳定性外，质子交换膜材料还应具有较好的机械强度和导电性能。

机械强度可以保证质子交换膜在燃料电池中的稳定性和耐久性，而导电性能则可以提高电池的性能和输出功率。

研究人员正在不断探索新型的质子交换膜材料，以提高燃料电池的性能和降低成本。

例如，近年来有机-无机杂化质子交换膜材料受到广泛关注。

这种材料可以兼具有机膜和无机膜的优点，具有较好的质子传导性能和耐高温性能。

eptfe基复合质子交换膜ePTFE基复合质子交换膜引言：ePTFE基复合质子交换膜是一种由聚四氟乙烯（PTFE）基质和质子交换材料组成的膜材料。

该膜材料具有优异的质子传导性能和化学稳定性，被广泛应用于燃料电池、电解水制氢等领域。

本文将对ePTFE基复合质子交换膜的特点、制备方法、应用领域以及未来发展进行介绍和分析。

一、ePTFE基复合质子交换膜的特点1. 高质子传导性能：ePTFE基复合质子交换膜具有较高的质子传导率，能够有效地传递质子，提高电化学性能。

2. 优异的化学稳定性：由于PTFE基质本身具有较高的化学稳定性，ePTFE基复合质子交换膜在酸碱环境中表现出良好的稳定性。

3. 良好的机械性能：ePTFE基复合质子交换膜具有较高的强度和耐磨性，能够在不同工况下保持结构的完整性。

4. 高温耐受性：ePTFE基复合质子交换膜能够在高温环境下保持较好的质子传导性能和机械性能。

二、ePTFE基复合质子交换膜的制备方法1. 混合法：将PTFE基质和质子交换材料按一定比例混合，通过机械混合、溶剂挥发等工艺制备得到复合质子交换膜。

2. 离子交换法：将PTFE基质浸泡在质子交换材料的溶液中，通过离子交换反应使质子交换材料渗透到PTFE基质内部，然后通过干燥等工艺制备得到复合质子交换膜。

3. 热压法：将PTFE基质和质子交换材料层层堆叠，通过热压工艺使其熔融和固化，形成复合质子交换膜。

三、ePTFE基复合质子交换膜的应用领域1. 燃料电池：ePTFE基复合质子交换膜作为燃料电池的关键组件之一，能够提高电池的输出功率和稳定性，延长电池的使用寿命。

2. 电解水制氢：ePTFE基复合质子交换膜能够在电解水制氢过程中有效传递质子，提高电解效率和制氢速率。

3. 电化学传感器：ePTFE基复合质子交换膜可用于制备高灵敏度和高选择性的质子传感器，用于检测酸碱度、离子浓度等参数。

4. 分离膜：ePTFE基复合质子交换膜由于具有较好的化学稳定性和质子传导性能，可用于电解液中质子与其他离子的分离。