质子交换膜及双极板研究
第１６卷第２期２００８年４月
材料科学与工艺
ＭＡＴＥＲＬ～ＬＳＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
ＶＯＬ１６Ｎ“２
Ａｐｒ．，２００８
质子交换膜燃料电池及其双极板的研究
倪红军１”，汪兴兴１，黄明宇１，李飞３
（１．南通大学机械工程学院，江苏南通２２６０１９，Ｅ?ｍａｉｌ：ｈｉ．ｈｉ＠ｎｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ；２．常熟理工学院机电工程系，江苏
常熟２１５５００；３．上海交通大学材料科学与工程学院，上海２０００３０）
摘要：为了降低质子交换膜燃料电池双极板的成本，提高质子交换膜燃料电池的性能，综述了质子交换膜
燃料电池的基本结构、工作原理、主要优点及应用领域，分析了质子交换膜燃料电池双极板的特点及功能，介
绍了制各质子交换膜燃料电池双极板的新材料及新工艺：中同相碳微球材料，凝胶注模成型工艺和中间相碳
微球素坯的掺杂催化石墨化烧结工艺．提出了应用质子交换膜燃料电池及其双极板的新材料新工艺来降低
其生产成本，为质子交换膜燃料电池及其双极板的研发指出了方向．
关键词：质子交换膜燃料电池；双极板；中间相碳微球；凝胶注模；石墨化
中图分类号：ＴＭｇｌｌ．４文献标识码：Ａ文章编号：１００５—０２９９（２００８）０２—０２５０—０５
Ｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌａｎｄｉｔｓｂｉｐｏｌａｒｐｌａｔｅｓ
ＮＩＨｏｎｇ－ｊｕｎｌ”，ＷＡＮＧＸｉｎｇ－ｘｉｎ９１，ＨＵＡＮＧＭｉｎｇ－ｙｕｌ，ＬＩＦｅｉ３
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｔｏｎｇ２２６００７，Ｃｈｉｎａ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｎｉ．ｈｉ＠ｎｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ；２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈａｎｇｓｈｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈｕ２１５５００，Ｃｈｉｎａ；３．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｎｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００３０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｓｔｓｏｆｔｈｅｂｉｐｏｌａｒｐｌａｔｅｓｏｆｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌ（ＰＥＭＦＣ）ａｎｄｉｍ—ｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＰＥＭＦＣ，ｔｈｅｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｍａｉｎａｄｖａｎｔａｇｅａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＥＭＦＣ；ｂｉｐｏｌａｒｐｌａｔｅｓ；ＭＣＭＢ；ｇｅｌ－ｃａｓｔｉｎｇ；ｇｒａｐｈｉｔｉｚａｔｉｏｎ
燃料电池发电是在一定条件下使Ｈ２、天然气和煤气（主要是Ｈ：）与氧化剂（空气中的Ｏ：）发生化学反应，将化学能直接转换为电能．燃料电池种类繁多，性能各异，其中ＰＥＭＦＣ具有无噪声、零污染、无腐蚀、寿命长（可达８０００ｈ以上）、工作电流大（０．５～２．０Ａ／ｃｍ２，０．６Ｖ）、体积功率密度高（０．６～１．０ｋＷ／Ｌ）、抗震性好、低温启动快和工作
收稿日期：２００５—０３—２５．
基金项目：江苏省自然科学基金重点项目（ＢＫ２００７７０４）；江苏省“六大人才高峰”项目（０６一Ａ也４）；南通市应用研究计
划项目（Ｋ２００７００１）；南通市工业创新项目（Ａ５０２８）．
作者简介：倪红军（１９６５一），男，博士，教授．温度低（一般为６０—１００ｏＣ）等特点，成为电动汽车的理想能源，亦可作为军用、民用便携式电源．在未来的以氢作为主要能量载体的氢能时代，ＰＥＭＦＣ具有十分广阔的应用前景，因而成为世界各国的研究热点之一…．双极板是ＰＥＭＦＣ的关键部件之一。主要功能是分配电池中的燃料和氧化剂、分隔电池组中的单电池、收集和传导电流、传输生成的水和湿气及冷却电池组等．它不但影响电池的性能，而且占据了电池６０％一７０％的成本．因此，国内外学者对双极板材料和成形工艺进行了广泛的研究．本文针对ＰＥＭＦＣ及其双极板材料与成形工艺的最新研究、发展特点及应用成果进行了综述，并指出了其研发方向．
第２期倪红军，等：质子交换膜燃料电池及其双极板的研究?２５１?
１质子交换膜燃料电池
１．１ＰＥＭＦＣ基本结构和工作原理
ＰＥＭＦＣ属于低温燃料电池，以全氟磺酸型固
体聚合物为电解质，铂／碳或铂一譬了／碳为电催化
剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化
剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属
板为双极板旧Ｊ．ＰＥＭＦＣ技术是目前世界上最成熟
的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并
释放出电能的技术，其基本结构见图１，工作原理
见图２，具体过程为：１）氢气通过管道或导气板到
达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子分解为带正
电的氢质子和带负电的电子；２）氢质子穿过电解
质（比如质子交换膜）到达阴极，电子通过外电路
到达阴极．电子在外电路形成电流，通过适当连接
可向负载输出电能；３）在电池另一端，氧气（或空
气）通过管道或导气板到达阴极．在阴极催化剂
作用下，氧气与氢质子及电子发生反应生成水．
Ｈ２
Ｈ２０
Ｈ２
Ｈ２０
图１ＰＥＭＦＣ的基本结构示意图
扩散层质子交换膜催化层
０２或空气
Ｈ，Ｏ
０：或空气
Ｈ，０
图２ＰＥＭＦＣ的工作原理示意图
１．２ＰＥＭＦＣ的优点
与其他种类的燃料电池相比，ＰＥＭＦＣ主要有以下优点：１）能量转化效率高．通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能，不通过热机过程，不受卡诺循环的限制；２）可实现零排放．其唯一的排放物是Ｈ：Ｏ，没有污染物排放，是环保型能源；运行噪声低，可靠性高．ＰＥＭＦＣ电池组无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动；３）维护方便．ＰＥＭＦＣ内部构造简单，电池模块呈现自然的“积木化”结构，使得电池组的组装和维护都非常方便；也很容易实现“免维护”设计；４）发电效率受负荷变化影响很小；５）燃料氢气来源极其广泛．可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行重整制氢，也可通过电解水制氢、光解水制氢和生物制氢等方法获取氢气，氢气的生产、储存、运输和使用等技术目前日趋成熟、安全、可靠．
１．３ＰＥＭＦＣ的应用领域
ＰＥＭＦＣ以其高效、节能、环保等优点，在电动汽车、舰艇、固定电站及移动电源等方面将有广泛的应用∞Ｊ，的主要应用领域可分为以下三大类：
１）用作便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、不间断电源等，适用于军事、通讯、计算机、地质、微波站、气象观测站、金融市场、医院及娱乐场所等领域，以满足野外供电、应急供电以及高可靠性、高稳定性供电的需要．ＰＥＭＦＣ电源的功率最小的只有几瓦，如手机电池．据报道，ＰＥＭＦＣ手机电池的连续待机时间可达１０００ｈ，一次填充燃料的通话时间可达１００ｈ（摩托罗拉）．适用于便携计算机等便携电子设备的ＰＥＭＦＣ电源的功率范围大致在数十瓦至数百瓦．如东芝公司开发出的笔记本电脑用ＰＥＭＦＣ做电源．
２）可用作汽车、船舶等交通工具动力，以满足环保对车辆船舶排放的要求．ＰＥＭＦＣ的工作温度低，启动速度较快，功率密度较高（体积较小），因此，很适于用作新一代交通工具动力．这是一项潜力十分巨大的应用．由于汽车是造成能源消耗和环境污染的首要原因，因此，世界各大汽车集团竞相投入巨资，研究开发电动汽车和代用燃料汽车．从目前发展情况看，ＰＥＭＦＣ是技术成熟的电动车动力源，ＰＥＭＦＣ电动车被业内公认为是电动车的未来发展方向．燃料电池将会成为继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统．ＰＥＭＦＣ可以实现零排放或低排放；其输出功率密度比目前的汽油发动机输出功率密度高得多，可达１．４ｋＷ／ｋｇ或１．６ｋＷ／Ｌ．用作电动自行车、助动车和摩托车动力的ＰＥＭＦＣ系统，其功率范围分别是３００—５００Ｗ、０．５—２ｋＷ、２—１０ｋＷ．游览车、城市工程车、小轿车等轻型车辆用ＰＥＭＦＣ的动力系统的功率一般为１０—６０ｋＷ．公交车的功率则需要１００—１７５ｋＷ．ＰＥＭＦＣ用作潜艇动力源时，与斯特
林发动机及闭式循环柴油机相比，具有效率高、噪
－２５２?材料科学与工艺第１６卷
声低和低红外辐射等优点，对提高潜艇隐蔽性、灵活性和作战能力有重要意义．美国、加拿大、德国、澳大利亚等国海军都已经装备了以ＰＥＭＦＣ为动力的潜艇，这种潜艇可在水下连续潜行一个月之久．曼哈顿科学公司在巴黎展出的燃料电池驱动的小型摩托车，其ＰＥＭＦＣ的输出功率为３ｋＷ，燃料为纯氢，具有小而轻的特点．包括电子装置、阀门、风扇等在内的燃料电池系统总重量为６ｋｇ，燃料电池本身重４．３ｋｇ．连续行驶距离为１９３ｋｍ，最高速度可达５６．３ｋｍ／ｈ．
３）可用作分散型电站．ＰＥＭＦＣ电站可以与电网供电系统共用，主要用于调峰；也可作为分散型主供电源，独立供电，适于用作海岛、山区、边远地区或新开发地区电站．
２制备ＰＥＭＦＣ双极板的新材料和新工艺
目前阻碍燃料电池进入市场的主要因素是其成本太高，而降低双极板的成本对于ＰＥＭＦＣ的产业化具有重要意义．
ＰＥＭＦＣ双极板具有以下功能和特点：１）分隔氧化剂与还原剂．要求双极板必须具有阻气功能，不能采用多孔透气材料．如果采用，必须要采取措施堵孔．２）有收集电流作用，必须采用电的良导体；极板必须是热的良导体，以保证电池组的温度均匀分布和排热方案的实施．３）双极板材料必须能在电池工作条件下及其工作电位范围内具有抗腐蚀能力．４）双极板两侧应加工或置有使反应气体均匀分布的通道（即所谓的流场），以确保反应气体在整个电极各处均匀分布．５）双极板材料应具有质量轻、强度高，适于批量加工等特点．使用金属板作为ＰＥＭＦＣ的双极板，虽然其成本较低，但突出的问题是如何提高电池长时间运行稳定性和如何减小电池性能的衰减．采用传统碳材料制备的双极板，由于材料成型工艺复杂、生产周期长，造成双极板的成品价格昂贵．特别是需要通过后续的机械加工引入流道，而这种加工非常困难，后续流道加工费用是板材成本的３—５倍．因此，这种石墨双极板由于其加工困难、石墨化温度高、生产成本高（占ＰＥＭＦＣ总成本６０％一７０％），导致该电池还不能完全为市场所接受ＨＪ．双极板的另一个关键技术是减少体积和减轻重量，这对减少电池尺寸和重量非常必要，尤其是对于电动汽车、笔记本电脑、移动手机等移动装置．目前碳质材料双极板由于所选用的材料和工艺限制，双极板的体积超过整个电堆体积的２／３，这不仅阻碍了ＰＥＭＦＣ的商业化应用，也限制了电池的薄型化、小型化．
２．１中间相碳微球
近年来，新兴一种碳石墨材料前驱体——中间相碳微球（ｍｅｓｏｃａｒｂｏｎｍｉｃｒｏｂｅａｄｓ，ＭＣＭＢ），已成为制备高性能碳石墨材料的首选原料．ＭＣＭＢ外观呈规则的球状，由聚合的稠环芳烃、Ｃ、Ｈ和杂原子构成，具有低温下自烧结的特性＂ｔ６Ｊ，其尺寸一般为１—１００ｔｕｎ，分子量为４００—３０００，由于低分子ＭＣＭＢ的存在，而使其球晶具有热塑性．对ＭＣＭＢ进行热处理期间，ＭＣＭＢ不熔融并保持其球形．随着热处理温度升高，ＭＣＭＢ的氢含量下降，６００℃以下ＭＣＭＢ呈中间相结构，６００℃以上发生碳质中间相性质和结构的变化，７００℃以上ＭＣＭＢ变成固体，在５００—１０００ｏＣ的热处理温度区间，ＭＣＭＢ的密度逐渐由１．５ｇ／ｃｍ３左右升高到１．９ｇ／ｅｍ３，比表面积在７００℃出现极大值．热处理至１０００℃左右，ＭＣＭＢ会形成收缩裂纹．裂纹方向平行于构成ＭＣＭＢ的层片方向，ＭＣＭＢ可在无形变的情形下石墨化，在转变成石墨化碳的同时保持其原形状，不发生熔融．日本川崎制铁以ＭＣＭＢ为原料生产出高强高密无粘结剂各向同性石墨块，省去了普通石墨制品生产所需的混捏、浸渍和焙烧等工序，所得材料的力学性能比普通石墨制品高２—３倍．因此，除了已经成功用于制备高性能锂离子电池的电极【７’８１外，具有高强高密等特性ＭＣＭＢ非常适合于用作超薄、高性能的ＰＥＭＦＣ双极板材料．
ＭＣＭＢ及其热处理产物呈疏水性，但由于ＭＣＭＢ周边边缘碳原子反应活性非常高，其对于各种表面改性具有高的活性，通过对ＭＣＭＢ进行等离子体处理，其表面形成了亲水性官能团可大大提高ＭＣＭＢ的表面亲水性；氮基团、氨基团类官能团能够通过芳环取代反应被引人到ＭＣＭＢ的外表面和内部，浓硫酸可与ＭＣＭＢ发生磺化反应，磺化后的ＭＣＭＢ具有离子交换能力；同时，在ＭＣＭＢ周边存在许多定向芳烃的边缘基团，使ＭＣＭＢ表面具有极高的活性；此外，ＭＣＭＢ具有相对较大的导电性，因此，ＭＣＭＢ作为电池电极具有很高的导电能力．
采用一种新型的Ｃ／Ｃ复合材料‘（以ＭＣＭＢ为基，以导电碳黑和碳纤维（ＣＦ）等为增强相）和凝胶注模新工艺制作ＰＥＭＦＣ双极板，可以不需机加工而一次成型双极板气体流道［９，ｌ０１．研究表明，该种双极板性能稳定，而且制作成本仅为进口的４０％左右¨¨，表１列出了制作双极板的新材料与
第２期倪红军，等：质子交换膜燃料电池及其双极板的研究?２５３?
新工艺与传统材料与工艺的特点比较．２．２双极板的凝胶注模成型工艺９０年代初发明的一种陶瓷胶态成型技术‘１２］．与传统的碳粉成型工艺相比，凝胶注模工艺为解决
凝胶注模成型是美国橡树岭国家实验室于碳粉成型和加工难题提供了有效的方法和途径．
表１不同材料与工艺的特点比较
研究表明，凝胶注模成型ＭＣＭＢ双极板工艺的优点在于其从浆料到凝胶化的转变速度可控，坯体结构均匀．与模压法和流延法相比，用于凝胶注模成型用浆料固含量高，且粘度很低，坯体没有密度梯度，同时有机物含量也比流延成型工艺制备的坯体要低．该工艺可成型形状复杂的坯体，且坯体的强度也较高，可满足各种加工的要求．该工艺的缺点在于：如果在空气中进行凝胶化反应，则素坯表面会产生起皮现象，同时，也须设法避免在干燥过程中坯体不均匀收缩问题【ｌ¨．可以有选择地利用非离子水溶性高分子表面活性剂，如聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯等，使得碳粉坯体表面光洁平整，有效地遏制了氧气的阻聚问题，解决坯体干燥后常出现的裂纹和脱皮问题，从而可以免除附加保护气所带来的不便．碳粉凝胶注模技术的发展方向是不断丰富和改进凝胶注模种类和工艺，开发新型无毒聚合物凝胶体系，建立和完善碳粉成型理论，为高性能、低成本、多功能碳粉材料的制备和应用提供有力的帮助．
２．３ＭＣＭＢ素坯的掺杂催化石墨化烧结工艺碳石墨材料用作结构材料时，其制作工艺主要包括混合、成型、焙烧、石墨化和浸渍等过程．石墨化是将焙烧后的制品放人到专用炉中通电升高温度至２６００—３０００ｏＣ，使焦碳微晶转化为石墨多晶结构．碳石墨材料的力学性能、导电导热性能以及摩擦学性能，主要与其石墨化度有关．一般而言，对碳材料进行石墨化处理的目的在于：提高材料的导热导电性；提高材料的热稳定性和化学稳定性；提高材料的润滑性能及抗磨损性能；排除杂质，提高纯度；降低硬度，便于机械加工【ｌ３｜．但是，由于石墨化温度高（２８００ｏＣ左右），导致所制备的石墨制品成本非常昂贵，从而成为碳石墨材料商业化的瓶颈．因此，如何在满足石墨产品性能要求的前提下，大大降低石墨化温度，从而简化对设备的要求，减少碳石墨材料的内应力，降低材料的制造成本，成为迫切需要解决的课题．近年来，研究者对碳材料的低温石墨化进行了研究，结果表明，一些催化剂可以降低石墨转化的能峰．催化剂一般是无机粉末，通常是一些金属及其化合物¨引．ｓ．Ｒ．Ｄｈａｋａｔｅ等研究了在以碳纤维作为增强相，以煤焦油沥青作为基体的碳／碳复合材料中，添加１％～５％氧化铁后进行烧结后的相组成，发现少量的（１％）氧化铁的添加可以显著提高碳／碳复合材料的石墨化程度¨副；Ｚｈａｎｇ等研究了几种粉体，如硅、碳化硼和钛的掺杂对碳材料石墨化程度的影响，发现这些粉体的掺杂，也可显著提高碳材料的石墨化程度，同时也显著改善了碳材料的抗弯强度、电阻率和热导率等力学和物理性能¨６１．值得一提的是，硼及其化合物具有特别的地位，可在２０００ｏＣ以下促进无定型碳的石墨化，尤其对难石墨化的碳［１３，１７，１８］．
依据液相转化与碳化物分解两种机理，一些金属及其化合物的无机粉末催化剂可以降低碳材料石墨转化的能峰．采用合适的无机纳米颗粒作为碳材料的催化剂，其本身具有的尺寸效应、表面效应以及纳米颗粒本身超高的活性对碳石墨材料
?２５４?材料科学与工艺第１６卷
的催化石墨化效果将更为显著．无机纳米催化剂在对碳材料催化石墨化的过程中还具有固溶强化、弥散强化和细晶强化的作用．如果采用具有在低温下具有自烧结特性的ＭＣＭＢ作为前驱体，完全可以制备高强、高密、高导电导热性碳石墨材料双极板．同普通无机掺杂催化相比，纳米掺杂用量少，获得的双极板材料性价比高．采用凝胶注模工艺可一次性成型带有复杂气体流道的并用纳米掺杂ＭＣＭＢ的双极板，省去了传统碳石墨双极板复杂的机加工过程。这一点保证了所用工艺的经济性；采用ＭＣＭＢ制备性价比优良的双极板，选择纳米掺杂物作为催化剂，很小的添加量就可在较低的热处理温度下，使该碳石墨材料具有很高的石墨化度，从而满足上述双极板性能要求，并有希望大幅度降低ＰＥＭＦＣ的生产成本，从而推动其市场化的进程．
但是，国内外学者对于无机掺杂物对提高碳材料石墨化度机理的研究，开展得还比较少，而且在机理方面的阐述尚停留在表面；有用纳米ＭｎＯ：掺杂ＭＣＭＢ用作锌碱性电池反应催化剂的研究¨９１，但采用无机纳米材料作为碳材料（特别是ＭＣＭＢ）掺杂物的催化石墨化机理方面的研究几乎空白，充分进行该领域的研究显得十分必要．
３结论
Ｉ）ＰＥＭＦＣ能量转化效率高、可实现零排放、维护方便、发电效率受负荷变化影响小，将成为未来非常理想的替代电源，应进行深入广泛的研究．２）双极板生产成本高，成为制约ＰＥＭＦＣ商业化应用的瓶颈，应广泛研究制作双极板的新材料、新工艺，以降低其制作成本．
３）采用一种以ＭＣＭＢ为基的新型Ｃ／Ｃ复合材料和凝胶注模新工艺制作双极板，具有一次成型流道、性能稳定、成本低廉等优点，是研发双极板的一个方向．
４）开展无机纳米掺杂物对碳材料催化石墨化的研究，不仅可以揭示其作用的机理，具有很高的理论价值，而且可以为制备高强、高密、高导电导热性和低成本的ＰＥＭＦＣ双极板指明研究方向．
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ｃａｒｂｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，
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ｃｈｉｍｉｃａ
Ａｃｔａ，２００４。４９：８７３—８７７．
（编辑魏希柱）
高温质子交换膜
PEM：质子交换膜PEFMC：质子交换膜燃料电池 PBI：聚苯并咪唑 mPBI：聚[2,2’-(间苯基-5,5’)-联苯并咪唑] ABPBI：聚2,5一苯并咪吟ABPBI DABA：3,4一二氨基苯甲酸SOPBI：磺化聚苯并咪唑 第一章引言 燃料电池与传统能源利用方式相比具有以下特点与优势：(1)能量转化效率高。(2)比能量或比功率高。(3)清洁、安静、污染小。(4)可靠性高。(5)适用性强。 质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池((PEMFC)是以一种聚合物膜即质子交换膜(PEM)作为固体电解质的燃料电池，在膜的两侧是电极(阴，阳极)。电极又可分为气体扩散层和催化剂层。工作时，纯氢通过气体扩散层进入催化剂层，H:在阳极失去电子变成H+, H+经质子交换膜到达阴极，与电子及O:结合生成水，完成导电过程。质子交换膜燃料电池，不仅具有一般燃料电池所具有的高效率、无污染、无噪声、可连续工作的特点，而且还具有功率密度高，工作温度低，启动快，膜的耐腐蚀性强，使用寿命一长等优点。近年来，质子交换膜燃料电池(PEMFC)成为了一种备受关注的清洁能源工艺。质子交换膜燃料电池具备方便
易携带，自动产生能量，效率高等优点。质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的关键部件。质子交换膜能够使质子从电池阳极转移到阴极。氢在催化作用下在阳极被氧化生成质子，质子从阳级转移到阴极，在阴极和氧反应生成水并放出热。质子交换膜位于两个电极之间。质子交换膜须具备以下特性:易装卸;排列紧密;可以大批量生产;对于气体渗透反应具有很大的耐受性。 Nation膜是典型的在低温使用的质子交换膜。Nation膜具有多相结构:疏水相作为连续相，磺酸基团作为亲水基团。连续的疏水相作为膜的结构支撑，亲水相可以储存一定量的水。水在质子传导中起着至关重要的作用，促进质子从磺酸基分离，提供了大量的动态水合质子，来保持Nation膜的理想性能。为了保持膜的水合状态，反应气 体都必须具备一定的湿度。 应用Nafion.膜或其它全氟磺酸膜的质子交换膜燃料电池有两个主要的局限。一是价格昂贵，另一个是在使用过程中必须保持充分的湿度来维持较高的质子传导率。为了保持高质子传导率，燃料气体(H2或空气)必须充分地进行水合。因此，湿度控制变得尤为重要，既要保持膜中含有充足的水份同时也要保证电极里的水不能太多。这同时 也限制了工作温度必须低于100 0C，因为在100℃以上运行膜会严重脱水导致膜的导电性能迅速衰退。在自增湿膜方面的研究亦需要用纳
高温质子交换膜
PEM质子交换膜 PEFMC :质子交换膜燃料电池 PBI :聚苯并咪唑 mPBI :聚［2,2 '-(间苯基-5,5 ')-联苯并咪唑］ ABPB：聚2,5 一苯并咪吟 ABPBI DABA : 3,4 一二氨基苯甲酸 SOPBI 磺化聚苯并咪唑 第一章引言燃料电池与传统能源利用方式相比具有以下特点与优势：(1) 能量转化效率高。(2) 比能量或比功率高。(3) 清洁、安静、污染小。(4) 可靠性高。 (5) 适用性强。 质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池((PEMFC是以一种聚合物膜即质子交换膜(PEM作为固体电解质的燃料电池，在膜的两侧是电极(阴，阳极)。电极又可分为气体扩散层和催化剂层。工作时，纯氢通过气体扩散层进入催化剂层，H:在阳极失去电子变成H+, H+经质子交换膜到达阴极，与电子及0:结合生成水，完成导电过程。质子交换膜燃料电池，不仅具有一般燃料电池所具有的高效率、无污染、无噪声、可连续工作的特点，而且还具有功率密度高，工作温度低，启动快，膜的耐腐蚀性强，使用寿命一长等优点。近年来，质子交换膜燃料电池(PEMFC) 成为了一种备受关注的清洁能源工艺。质子交换膜燃料电池具备方便易携带，自动产生能量，效率高等优点。质子交换膜(PEM是质子交 换膜燃料电池的关键部件。质子交换膜能够使质子从电池阳极转移到阴极。氢在催化作用下在阳极被氧化生成质子，质子从阳级转移到阴极，在阴极和氧反应生成水并放出热。质子交换膜位于两个电极之间。质子交换膜须
具备以下特性：易装卸；排列紧密；可以大批量生产；对于气体渗透反应具有很大的耐受性。 Natio门_膜是典型的在低温使用的质子交换膜_。Nation膜具有多相结构:疏水相作为连续相，磺酸基团作为亲水基团。连续的疏水相作为膜的结构支撑，亲水相可以储存一定量的水。水在质子传导中起着至关重要的作用，促进质子从磺酸基分离，提供了大量的动态水合质子，来保持Nation 膜的理想性能。为了保持膜的水合状态，反应气 体都必须具备一定的湿度。 应用Nafion.膜或其它全氟磺酸膜的质子交换膜燃料电池有两个主要的局限。一是价格昂贵，另一个是在使用过程中必须保持充分的湿度来维持较高的质子传导率。为了保持高质子传导率，燃料气体（H2或空气）必须充分地进行水合。因此，湿度控制变得尤为重要，既要保持膜中含有充足的水份同时也要保证电极里的水不能太多。这 同时 也限制了工作温度必须低于100 0C,因为在100C以上运行膜会严重脱水导致膜的导电性能迅速衰退。在自增湿膜方面的研究亦需要用纳米级铂或金属氧化物。 提高运行温度能够提升 PEMF啲性能，原因如下:1）高温运行能提高CO的耐受能力：燃料电池在低温运行时，氢燃料的 CO会使电池中的铂催化剂中毒，这使得传统的燃料电池中需要更高纯度的氢。而在高温，铂不易中毒，电池可以承受氢燃料中 3%勺CO而没有能量损失。 2) 高温运行
燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势
燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势 公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
膜材料科学与技术 课程作业 燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势任课教师：陈鹏鹏老师 姓名：鲜开诚 学号：C 专业：新能源材料与器件
燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势 鲜开诚 （安徽大学化学化工学院合肥230601） 摘要质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）作为新一代能源技术被广泛应用。离子交换膜作为燃料电池的核心元件，同时起到分隔燃料和氧化剂，传导质子的双重作用。本文简介了燃料电池质子交换膜及其工作原理；介绍了现有的几种质子交换膜的结构与性能及最新研究状况；展望了质子交换膜的发展趋势。 关键词：质子交换膜；燃料电池；聚合物 Advances and Development Trends in Proton Exchange Membranes for Fuel Cells Xian Kai-cheng (Department of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University,Hefei 230601,Anhui Province,China) Abstract Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), is being widely used as a new generation of energy exchange membrane,as a core component of PEMFC,is of the ability of separating fuels and oxidizing agent as well as conducting this paper, proton exchange membrane and its operating principle are introduced;the structure and performance of kinds
质子交换膜燃料电池的基本结构
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
质子交换膜燃料电池的发展现状
质子交换膜燃料电池的发展现状 发布日期：2015-05-30 来源: 中国电池网查看次数: 1093 作者：[db:作者] 核心提示：1雨口。燃料电池尔，是种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过屯极反应直接转换成电能的装置。它的最大特点适山厂反应过程不涉及到燃料，因此其能量转换效率不受卡诺循环的限制，其能量转换率高达6080， 1雨口。 燃料电池尔，是种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过屯极反应直接转换成电 能的装置。它的最大特点适山厂反应过程不涉及到燃料，因此其能量转换效率不受卡诺循环的限制，其能量转换率高达6080，实际使用效率则是普通内燃机的2倍。另外它还具有燃料多样化环境污染小噪音低可靠性及维修性好等质子交换膜燃料电池，是作为继碱性燃料电池人阢磷酸燃料电池人阢熔融碳酸益燃料屯池况和叫体氧化物燃，电池60阢之后发展起来的第代燃料电池，由于采用了固态电解质高分子膜作为电解质，因此具有能量转换率高低温启动无电解质泄露等特点，也因此被公认为最有希望成为航天军事电动汽车和区域性电站的首选电源。 2质子交换膜燃料电池的发展历史质子交换膜燃料电池的发展历史起源于20世纪60年代初美国的，公司为，研制的空间电源，采用的是况的，0，作为双子星座宇宙飞船的辅助电源，尽管，兀的性能现良好，但是由于当时该项技术处于起步阶段，仍存在许多问，如功率密度较低5，聚苯乙烯磺酸膜的稳定性较差，寿命仅为500左右；泊催化剂月叫太尊因此在以后的人也计划等空间应用中必人选用了当时技术比较成熟1962年美国杜邦公司开发出新型性能优良收稿日期20009收稿。 公司将其用于，而0使电池寿命大幅度延长。 但是由于怕催化剂用量太尚和膜的价格昂贵以及电池必须采用纯氧气作为氧化剂，使得厕冗的开发长时间是以军用为目的，限制了该项技术的广泛应用进入20世纪80年代 以后，以军事应用为目发展。以美国加拿大和德国为首的发达国家纷纷投入巨资开展，碰阢技术的研究开发工作，使得厕兀技术日趋成熟。 20世纪90年代初期，特别是近几年，随着人们对日趋严重的环境污染问的认识 加深，0灰技术的开发逐渐由军用转向民用，被认为是第代发电技术和汽车内燃机的最有希望的替代者。 3质子交换膜燃料电池的爻键技术，肫渌，类燃料电池结构类以，由1极，极和 质子交换脱以及双极板构成。其中双极板起到传递气体和反应物的功能；阳极和阴极1载有电催化剂，燃料和氧化剂分别在此完成气体，和分隔燃料和氧化剂的功能。它们的结构和性能对，刚扣整体的性能起到了决定性的作用，因此围绕着这些部件开展的研宄设计工作也构成3.1高效新型电催化剂的研究电极催化剂是使燃料和氧化剂完成氧化和还原反应不可缺 少的条件，目前，饕，捎，铀作为电催化剂，它对于两个电极反应都具有催化活性，而且可以长期使用，但是，由于钿的价格昂贵，资源匮乏，使，的成本居高不下，限制了其大规模应用。因此对于阴极催化剂研宄重点方面是改进电极结构，提高催化剂利用率另方面是寻找高效价廉的可替代贵金属的催化剂；对于阳极催化剂除了具有阴极催化剂的性能以外，还应具有抗中毒的能力。 目前中广泛采，作催化剂，屯极是根据1在20世纪80年代中后期开发出究，使聪电极的钔我故进步降低到13，2，1995年印度电化学能源研究中心采用喷涂浸渍法将钔 载愿降至，坪⑴，性能，与，以，2我怕1的电极相当，最近，加大巴拉德公4宣布采用种
燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势
膜材料科学与技术 课程作业 燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势任课教师：陈鹏鹏老师 姓名：鲜开诚 学号：C61114012 专业：新能源材料与器件
燃料电池质子交换膜研究现状和发展趋势 鲜开诚 （安徽大学化学化工学院合肥230601） 摘要质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）作为新一代能源技术被广泛应用。离子交换膜作为燃料电池的核心元件，同时起到分隔燃料和氧化剂，传导质子的双重作用。本文简介了燃料电池质子交换膜及其工作原理；介绍了现有的几种质子交换膜的结构与性能及最新研究状况；展望了质子交换膜的发展趋势。 关键词：质子交换膜；燃料电池；聚合物 Advances and Development Trends in Proton Exchange Membranes for Fuel Cells Xian Kai-cheng (Department of Chemistry and Chemical Engineering, Anhui University,Hefei 230601,Anhui Province,China) Abstract Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC), is being widely used as a new generation of energy technology.Ion exchange membrane,as a core component of PEMFC,is of the ability of separating fuels and oxidizing agent as well as conducting protons.In this paper, proton exchange membrane and its operating principle are introduced;the structure and performance of kinds of proton exchange membrane as well as their recent study are reviewed; outlook of the development trend of proton exchange membranes are provided. Key words proton exchange membrane; fuel cell; polymer
质子交换膜的研究进展
燃料电池质子交换膜的研究进展 摘要：质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心组件。本文较详细地介绍了全氟化质子交换膜，部分氟化质子交换膜，纳米复合质子交换膜，无氟化质子交换膜的性能及最新研究状况，最后提出质子交换膜的发展趋势。 关键词：质子交换膜；燃料电池；有机/无机纳米复合质子交换膜 质子交换膜燃料电池具有体积小、质量轻、功率密度高、启动快、无噪音、零污染等优点，具有及其广阔的应用前景, 尤其适合做电动汽车的动力源[1]。另外，还可以用于固定式发电系统，潜艇，军用、民用移动电源，城市洁净电站等方面。质子交换膜燃料电池由阳极、阴极、催化剂和质子交换膜等部分组成。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的“心脏”，它在燃料电池中的作用是双重的:一是作为电解质提供氢离子通道，二是作为隔膜隔离两极反应气体，防止它们直接发生作用。其性能的优劣直接影响着燃料电池的工作性能，因此对于质子交换膜材料的研究已经成为燃料电池研究工作中的热点之一。质子交换膜是燃料电池的技术关键，其性能的优劣直接影响着燃料电池的工作性能、成本和应用前景。因此，对于质子交换膜材料的研究已成为燃料电池研究工作中的热点之一[2]。 目前，无论是燃料为H2/O2的PEMFC ，还是直接甲醇燃料电池(DMFC)，使用的质子交换膜几乎全都是美国Du Pont 公司生产的Nafion 系列膜[3]。尽管Nafion 全氟磺酸膜具有机械强度高、化学稳定性好、质子导电率高(较大水含量时)等优点，但其成本高、甲醇渗透率大等缺点，极大限制了PEMFC 的应用，尤其是DMFC 的应用。因此，开发导电性能优良、成本经济、甲醇渗透率低的新型质子交换膜是现
质子交换膜燃料电池的应用与发展
质子交换膜燃料电池的应用与发展 林圣享学号：405932016118 动力工程及工程热物理2016级研究生 （南昌大学机电工程学院，南昌330031） 摘要：燃料电池是一种将化学能通过化学反应直接转化成电能的装置。质子交换膜燃料电池作为新一代发电技术，以其特有的高效率和环保性引起了全世界的关注，极具开发和利用价值。随着质子交换膜燃料电池技术的不断提高和成本的逐步降低，其在市场上将逐步获得应用。该文分析了质子交换膜燃料电池的结构和工作原理，对比了各种燃料电池基本属性，阐述了燃料电池当前发展的状态, 探究了其较高的利用效率又不污染环境的能源利用方式对当前能源紧缺和环境污染严重的形势下，进一步明确了质子交换膜燃料电池发展的广阔前景，其作为能源利用的一次变革，必将在宇航、交通以及国防军事等领域发挥的巨大推动作用。 关键词：质子交换膜；燃料电池；利用效率 Application and Development of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Abstract：A fuel cell is a device that converts chemical energy directly into electrical energy by chemical reactions. Proton exchange membrane fuel cell as a new generation of power generation technology, with its unique high efficiency and environmental protection has aroused the concern of the world, great development and use value. With the proton exchange membrane fuel cell technology continues to improve and gradually reduce the cost of its market will gradually gain application. This paper analyzes the structure and working principle of proton exchange membrane fuel cell, compares the basic properties of various fuel cells, expounds the current development of fuel cell, explores its high efficiency and does not pollute the environment. The current energy shortage and serious environmental pollution situation, to further clarify the proton exchange membrane fuel cell development prospects, as a change in energy use, will be in the aerospace, transportation and defense and other fields play a huge role in promoting. Key words：proton exchange membrane；fuel cell；utilization efficiency 引言 燃料电池（Fuel Cell）是一种高效、环境友好的新能源发电装置，能将燃料的化学能通 过电化学反应直接转化为电能。在工作原理和方式上，燃料电池与普通电池存在差别：燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是电催化和集流的转换元件，也是电化学反应的场 所。燃料电池是开放体系，活性物质储存在电池之外，只要不断地供给燃料和氧化剂就能连 续发电，因而容量很大。同时，燃料电池还是一个复杂的系统，一般由燃料和氧化剂供应系统、水热管理系统以及控制系统等多个子系统组成。而普通电池是简单的封闭体系，放电容 量有限，活性物质一旦消耗光，电池寿命即告终止，或者必须充电后才能再次使用[1]。 燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置[2]。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能"储电"而是一个" 发电厂"，被誉为是一种继水力、火力、核电之后的第四代发电技术，也正在美、日等发达国家崛起，以急起直追的势头快步进入能以工业规模发电的行列。燃料电池具有高能量转换效率、低温快速启动、低热辐射和低排放、运行噪声低和适应不同功率要求，具有非常好
一种新型质子交换膜及其质子传输功能的研究
Study of a novel proton transport membrane with proton transport ability Peng Cheng, Yang Yong, Wang Li, Shi Xianfa (Department of Chemistry, Tongji University, Shanghai 200092, China) Abstract A novel proton exchange membrane (PEM) was designed and prepared. It was made of a copolymer with the calix[4]arene derivative as the functional unit of proton recognition and selective transport. Proton transport experiments testified that it was comparable to Nafion 112 membrane, particularly, it could transport proton in the presence or without the presence of solvent.Thus it maybe could be applied in the H2/O2 fuel cells. Keywords proton transport; calix[4]arene; supermolecular function 一种新型质子交换膜及其质子传输功能的研究 彭程杨勇王丽施宪法 (同济大学化学系上海200092) 摘要本文设计并制备了一种新型质子交换膜，它由一种以杯[4]芳烃衍生物为功能基元的聚合物材料制成，利用其对质子的识别及选择性传输等超分子作用来传递质子，具有明显的质子传输能力。与现在通用的各种质子交换膜相比，其特点是不需要水或其它溶剂即能有效实现质子传递过程。因此，有望用作氢氧燃料电池中的质子交换膜。 关键词质子交换膜，杯[4]芳烃，超分子作用 1 引言 近年来，质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为动力源的研究在电化学[1]和能源科学领域[2]成为热点，广泛应用于军事、航天、能源和交通等领域[3]。质子交换膜(PEM)是PEMFC的核心部件，它是一种能使质子选择性透过的膜，只允许质子通过，而电子、原料气等不可以通过[4]。 目前，最为常用的质子交换膜是美国杜邦公司生产的多(全)氟磺酸聚合物Nafion系列质子交换膜。它是一种阳离子交换型的选择性透过膜，其起质子交换作用的功能基团是固定在氟碳高聚物主链上的磺酸基（-SO3H）。Nafion膜在燃料电池中取得了巨大的成功，但是其价格昂贵，并且它必须依靠膜相中的水来完
质子交换膜燃料电池的热模拟
%引言 质子交换膜燃料电池（&’()*+&,-.-/’0123/45(567,3/5)859*599）是一个多相、多尺度、多物理场、动态复杂系统。质子交换膜燃料电池的内部热场分布研究是&’()*性能研究和电池堆的热管理不可缺少的一个环节。目前的设计中，&’()*很容易因为局部电流密度大、温度过高而导致质子交换膜失水，为了防止膜的干燥及高温运行，需要有相应的散热机制来移走电化学反应产生的热量，&’()*产生的热能约占总能量的#":;%<。文献;!<认为避免&’()*运行时温度过高，可采用适当的冷却剂对电池进行冷却；水、热管理是&’()*研究的两个重要方面，保持电池内水热平衡是电池能够稳定运行的关键。文献 ;$< ，通过 )8995,提出的二维模型，考察了水管理、热管理对电池性能的影响，说明了热管理和水平衡的关系。 文献;=，#< 讨论了质子交换膜燃料电池中温度沿流道长度方向变化。在文献;=<中，>?等建立了&’()*沿流道二维模型中采用了反应气顺流模型，考虑膜中压力梯度引起的对流传递、沿流道的温度分布，考察了自然对流、逆流和顺流热交换的散热过程；结果显示逆流热交换具有更好的散热效果。在文献;@<中，A3//5/75,4假设电池温度仅沿流道方向变化，采用B.5C3/D(30E599方程和简化的F89.5,DG-9865,方程，建立了沿流道方向质量与能量传递的二维模型H 模拟结果表明在接近等温状态电池性能最好。在文献;I<中，*-J.3634/3建立了一个全面的三维数学模型，描述了电池内的温度分布，其中也考虑了能量传递。文献;K<认为，在一定范围的运行条件下，为提高模拟结果可靠性，应该在模拟计算时考虑膜、电极、气体通道中的多项扩散和对流传热传质。从建模的角度看，建立一个综合的研究热传递模型，仍是热管理方面一项具有挑战性的工作。本文对 &’()*热场进行了模拟和分析，为优化&’()*的热管理提供了科学指导。 !模型描述 质子交换膜燃料电池的热场模拟，主要是通过应用基本的物理定律、传输机理、电化学理论等对电池内部复杂的物理现象进行模拟，并且对模拟结果进行可视化，提高对质子交换膜燃料电池内部热场分布的理解，有效地指导&’()*的热管理，从而提高电池的工作性能。 !L%几何模型M 浙江国际海运职业技术学院浙江舟山$%@"!%N 摘要：文章文介绍了质子交换膜燃料电池的热问题模拟现状，根据研究问题的需要，描述了模拟相 关的模型，应用计算机模拟技术对质子交换膜燃料电池进行了热模拟；从热源、温度场在质子交换膜燃料电池内部的分布情况以及电池性能等方面进行了分析和讨论，得出结论；并与试验进行了比较，模拟与试验基本吻合。 关键词：燃料电池；质子交换膜；热模拟；模拟 质子交换膜燃料电池的热模拟 温小飞 B5OL!""#P-L$ !""#年Q 月第$期 浙江国际海运职业技术学院学报
燃料电池用质子交换膜简介
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]。
质子交换膜
质子交换膜的发展和趋势 1.什么是质子交换膜 质子交换膜(Proton Exchange Membrane Fuel，PEM)是PEMFC的核心部件，PEM与一般化学电源中使用的隔膜有区别。质子交换膜燃料电池已成为汽油内燃机动力最具竞争力的洁净取代动力源.用作PEM的材料应该满足以下条件：良好的质子电导率、水分子在膜中的电渗透作用小、气体在膜中的渗透性尽可能小、电化学稳定性好、干湿转换性能好、具有一定的机械强度、可加工性好、价格适当。 现阶段分为:全氟磺酸型质子交换膜;nafion重铸膜;非氟聚合物质子交换膜;新型复合质子交换膜等等 2.研究现状 目前用作PEM的聚合物主要有聚全氟碳酸、聚苯乙烯及其衍生物、聚芳醚系列、聚酞亚胺、聚苯并咪哇和聚磷睛等。 超支化聚合物是当前研究的用于PEM的一种新型聚合物材料, 它是具有三维立体树形结构的高度支化新型大分子,有独特的结构特征,如含有重复的支化结构、大量的官能端基和空腔,具备良好的流动性、溶解性和多功能性等优点。。这使其具有应用于材料的可能三维分支结构和空腔能吸附磺酸和磷酸基团,大量的端基也能改性为所需官能团,这不仅增加了可以传导质子的基团含量, 利于提高质子传导率,还能根据需要调节聚合物的性能。目前已经有一些关于将超支化聚合物应用于质子交换膜的研究报道。 3.质子交换膜膜材料的改进及应用 质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。 迄今最常用的质子交换膜（PEMFC）仍然是美国杜邦公司的Nafion?膜，具有质子电导率高和化学稳定性好的优点，目前PEMFC大多采用Nafion?等全氟磺酸膜，国内装配PEMFC所用的PEM主要依靠进口。但Nafion?类膜仍存在下述缺点：(1)制作困难、成本高，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高；(2)对温度和含水量要求高，Nafion?系列膜的最佳工作温度为70～90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题；(3)某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换膜。
质子交换膜燃料电池的工作原理
质子交换膜燃料电池的工作原理 能源、信息、材料是現代社会发播的三大支柱?其申能源在社会发展、心日常生活中的作用日益聶苦.能源既是社会发展的物质基础.又是提高人类科技" 促进科学发展的技术保障。毎一种潮能源的开发与利用，都会给生产力疑展和人类进步带来巨大的变革.在21低配’人类利用的能源屯要还悬煤、石汕和天熬气等化石燃料，由F这些资澹有限*并且柱:燃烧过程中来披狂分利用*不但滾费了其中包含的化学能，也对人类社会朝少相处的环境造成了严重的环境河染?面对人们对能源的碍求就趙来越大的潍题”加快研究能源的步伐*开发化石燃料的替代航前较为累迫的一项任务.走能源与环境和经疥厦展良性循坏的路子，是解决能源与坏境问题的棍本出 燃料电池以能最转比效率高，环境友好“孝排放黑显薯优去日益嗫到人们的关卓并冃己经成为淸洁、可持续发电能源的前沿蝕域.廳料电池是将储存在燃料中的化学能通过电极反应使之与轨化剂发主交互作用’转变成电能的高效、环保型能虽输出装逍，是绻火力发电*水力发电和核能发电后的新能源系统.英工柞方式蹩电池正常工柞时，蛉界粽源不断的向电池中送入反应的燃料气体和氧化剂. 反应产物和热量蔽及时排除掉.珂此遠神电池不会像晋通电池那样会被耗尽.质子膜燃料电油是第五代燃料电池(其他四类是碱性燃料电紐，磷醴燃料电池.熔融磁酸盐燃料电池和hM体氧化物燃料电池人幫用就气柞燃料，空气或者是纯枫气柞氧化剂.通过氮氧发生化合反应.貢接梅氮气中的化学能转换屈可以利用的电能「井生成对环境无污染的纯押水.其特点是； (0能最装换率高“高效可靠 首先燃料电池中轼气和氧气或者空气反应不是蛭过燃烧过程而是电牝学过麻，所以 菇能命转换效率不受卡诺祈坏的控制.实际应用中，考虑侬差扱化、电化学极化曙的限帝 山以及残存预熱不被利用的情形.FI就的燃料电池的实际电醞转换效率在4昭60%Z间.大 约是内燃机的两倍。由于?EMF€电池堆采用模块
燃料电池质子交换膜材料
燃料电池质子交换膜材料 宋润喆10300220029 一、引言 随着对化石燃料的不断开采，化石燃料愈来愈多地面临逐渐枯竭的局面。针对能源的短缺，我们可以采取的措施有，一方面寻找新的替代能源，如太阳能、原子能等等；另一方面则是提高现有的化石能源的使用效率，延缓化石燃料枯竭的速度。由于传统上通过热能为中介，使化学能转化为电能的效率相对较低，而直接将化学能转化为电能可以通过燃料电池来实现。因此，发展燃料电池技术，对节约当前的资源来说，刻不容缓。 燃料电池的基本原理即将燃烧反应分解为氧化与还原的半反应，将其连接构成电池。燃料电池在一些领域已经成功商业化推广。常见的燃料电池包括乙醇燃料电池、甲醇燃料电池、氢氧燃料电池等。如在北京奥运会和上海世博会期间，氢氧燃料电池都成为主要运输工具的能量来源。 然而，燃料电池还有这太多需要改进的地方。如燃料电池的催化问题和电解质膜问题。本文将主要针对燃料电池中的电解质膜展开讨论。 二、质子交换膜的分类 质子交换膜是燃料电池的重要组成部分。质子交换膜不仅仅起到将电池的阴阳极分离开的作用，更重要的是质子交换膜还承担着阴阳极之间离子传递的通道。质子交换膜可分为全氟磺酸膜、非全氟化质子交换膜、复合膜等等。 1. 全氟磺酸膜 全氟磺酸膜是目前应用在燃料电池上最广泛的一种质子交换膜。正如字面上所显示的，全氟磺酸膜的最主要化学组成是带有磺酸基团的醚支链和碳氟元素构成的主链组成的高分子聚合物。Dupont公司生产的全氟磺酸膜（如Nafion系列膜）由于性能稳定仍然是目前最常用的膜。[1] 除了化学稳定高以外，全氟磺酸膜还有机械强度高、质子传导率高等优势。然而全氟磺酸膜依然有着诸多局限性，如在较高温度或较低湿度条件下，由于膜的含水量变化，导致质子的传导性变低；在实际使用过程中甲醇、乙醇等燃料可能出现渗透现象，如Nafion系列膜甲醇的渗透比率高达总量的40wt%，[2] 不仅仅造成燃料的浪费，更影响阴极的进一步反应，严重影响着电池的性能。此外，价格昂贵、合成过程不宜进行也是影响全氟磺酸膜扩大应用范围的另一个重要因素。 2. 非全氟化质子交换膜 非全氟化质子交换膜，就是用取代的氟化物代替纯氟代高分子化合物。相比起全氟磺酸膜，非全氟化质子交换膜往往有着较低的成本和较高的工作效率，但是早期的非全氟化质子交换膜材料往往没有像全氟磺酸膜一样的化学稳定性和优异的机械性能。但是由于非全氟化质子交换膜种类较多，是更有发展前景的水合磺酸膜。解决全氟磺酸膜的种种缺陷，最重要途径即是对全氟磺酸膜进行改性处理和非全氟化质子交换膜的研发。如倪红军等用纳米SiO2对Nafion117进行掺杂改性制膜，得到的60°C硅溶胶处理的Nafion膜的高温保水性能得到提高，乙醇渗透率大大降低。[3] 最后，非全氟化质子交换膜的价格优势，也预示着全氟磺酸膜有朝一日必会走入历史。 3.无氟化质子交换膜 无氟化质子交换膜，即碳氢聚合物膜，由于排除了氟元素，该种质子交换膜拥有价格便宜、环境友好等优势，势必成为未来质子交换膜的重要发展方向。除去以上两点优势外，结构多样、保水性能好、机械强度高也是其重要的优势。其中芳香族聚合物拥有较好的稳定性和机械强度，是理想的质子交换膜材料，受到世界的关注。磺化芳香聚合物主要有磺化聚芳醚酮、磺化聚苯、磺化聚苯并咪唑、磺化聚芳醚砜、磺化聚酰亚胺、磺化聚硫醚砜等等。