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1、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：201310250120； 201310250121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4PEMC 的优点4PEMFC 的应用前景5PEMFC 的发展概况6PEMFC 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
2、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 1PEMFC 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：2H-4e-=4H+ E0 = 0. 000 V。23）在电池的另一端，氧气（或空气）通过
3、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：O +4H+4e-=2H O E0 = 1. 234 V 22总的化学反应为：图 21/2 O+ H=HO E0= 1. 234 V222cell电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断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。质子交换膜（PEM）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
4、响电池的使用寿命。迄今最常用的质子交换膜（PEM）仍然是美国杜邦公司的Nafion质子交换膜，具有质 子电导率高和化学稳定性好的优点，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质子交换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7090C，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
5、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。Nafion膜的价格在600美元每平方米左右，相当于120美元每千瓦（单位电池电压为 0.65V）。在燃料电池系统中，膜的成本几乎占总成本的20%30%。为尽早实现燃料电池的商 业化应用，降低质子交换膜的价格迫在眉睫。PEMFC 的优点（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。其唯一的排放物是纯净水（及水蒸气），没有污染物排 放，是环保型能源。（3）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
6、 气体和水的流动。（4）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。（5）发电效率受负荷变化影响很小，非常适合于用作分散型发电装置（作 为主机组），也适于用作电网的“调峰”发电机组（作为辅机组）。（6）氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛，是一种可再生的能源资 源，取之不尽，用之不绝。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、生物制氢等方法获取氢气。（7）氢气的生产、储存、运输和使用等技术目前均已非常成熟、安全、可靠。PEMFC 的应用前景一是用作便携电源、小型移动电源
7、、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 1000 小时，一次填充燃料的通话时间可达 100 小时（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（东芝）。军用背负式通讯电源的功率大约为数百瓦级。卫星通讯车 用的车载PEMFC电源的功率一般为数千瓦级。二是可用作助动车、摩托车、汽车、火车、船舶等交通工具动力，以满足环
8、 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 是技术最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/公斤或1.6KW/升。用作电动自行车、助动车和摩托车动力
9、的PEMFC 系统，其功率范围分别是300-500W、500W-2KW、2-10KW。游览车、城市工程车、 小轿车等轻型车辆用的PEMFC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。三是可用作分散型电站。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
10、岛、山区、边远地区或新 开发地区电站。与集中供电方式相比，分散供电方式有较多的优点：（1）可省去 电网线路及配电调度控制系统；（2）有利于热电联供（由于PEMFC电站无噪声， 可以就近安装， PEMFC 发电所产生的热可以进入供热系统），可使燃料总利用率 高达 80以上；（3）受战争和自然灾害等的影响比较小；（4）通过天然气、煤 气重整制氢，使得可利用现有天然气、煤气供气系统等基础设施为PEMFC提供燃 料，通过生物制氢、太阳能电解制氢方法则可形成循环利用系统（这种循环系统 特别适用于广大的农村地区和边远地区），使系统建设成本和运行成本大大降低。 因此， PEMFC 电站的经济性和环保性均很好
11、。国际上普遍认为，随着燃料电池的 推广应用，发展分散型电站将是一个趋势。PEMFC 的发展概况PEMFC 研究开发领域的权威机构是加拿大的 Ballard 能源系统公司。 1989 年，该公司在加拿大国防部资助下，从美国国防部购买了燃料电池技术。经过十 多年的研究开发，成功地研制出了多种系列的PEMFC。1994年以来，Ballard公 司先后与奔驰、大众、通用、福特、丰田、日产等著名汽车公司合作，开发出多 种 PEMFC 汽车。从1997年起，Ballard公司与奔驰、福特等公司共同投资建立了 PEMFC发 动机公司，在温哥华和多伦多，年产20万台电动车发动机的两个生产企业已在 建设之中，计
12、划2003年把PEMFC电动车正式推向市场。Ballard公司还与美国、 法国的大型供电公司共同投资组建了合资企业，生产 250KW 级分散型 PEMFC 电站 设备。这些公司的建立标志着 PEMFC 氢能源系统已走出实验室，进入了加速产业 化的阶段。在美国，Plug-Power、H-Power等公司生产的以天然气为燃料的5 10KW PEMFC 小型电站已经投放市场，这种电站适用作家庭电站、应急电源、不 间断电源。除美国、加拿大外，日本、德国、英国、意大利、俄罗斯等国以及一些著名 跨国企业也加入了研制PEMFC系统和PEMFC电动车的行列。自2000年下半年石 油价格问题引起各国严重关注以来
13、，发达国家（特别是美国）都大大加强了对燃 料电池技术商业化的投入，仅美国能源部的研究经费预算就超过 1 亿美元，大大 超出前一年度的预算；而且，研究重点具有明显的产业化导向，如：相关材料部 件，应用开发，行业标准，环境配套，发展战略，市场策略等。在我国，PEMFC和电动车被列入“九五”国家科技攻关计划，氢能的规模制 备、储运及相关燃料电池的基础研究”也已入选2000年“国家重点基础研究项 目”。 PEMFC 电动车还被列为面向产业化的国家“十五”“863”重大科技攻关专 项和上海市“十五”重大科技攻关项目。2010 年，山东东岳集团宣布，中国自主研发的氯碱用全氟离子膜、燃料电 池膜实现国产化。历经8年科研攻关，打破了美国、日本长期对该项技术的垄断。 与此同时，“东岳”完成的用于制造燃料电池核心材料磺酸树脂离子膜的年产500 吨的生产装置已经建成投产，解决了氢燃料电池生产的重大瓶颈，我国由此成为 世界上第二个拥有该项技术和产业化能力的国家。
