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1、燃料电池的研究燃料电池（FuelCell）是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的装置。由于能量转换不受卡诺循环的限制并且附加产物只有水，满足现代社会开辟新能源，减少对环境的污染的发展原则，因此燃料电池的研究及使用备受瞩目[[]衣宝廉.燃料电池现状与未来[J].电源技术,1998(05):34-39.][[]严陆光,陈俊武,周凤起,等.我国中远期石油补充与替代能源发展战略研究(续)[J].电工电能新技术,2007(01):1-12.]。燃料电池发展至今，已有众多种类。按照电解质的不同可以分为：碱性燃料电池(AlkalineFuelC
2、ell，AFC)[[]水畑宏隆,吉田章人,竹中忍,等.碱性燃料电池和碱性燃料电池系统:2013-03-06.]、磷酸燃料电池(PhosphoricAcidFuelCell，PAFC)[[]张纯,毛宗强.磷酸燃料电池(PAFC)电站技术的发展、现状和展望[J].电源技术,1996(05):216-221.]、固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)[[]章蕾,夏长荣.低温固体氧化物燃料电池[J].化学进展,2011(Z1):430-440.]、及熔融碳酸盐燃料电池(MoltenCarbonateFuelCell
3、，MCFC)[[]翁史烈,翁一武,苏明.熔融碳酸盐燃料电池动态特性的研究[J].中国电机工程学报,2003(07):168-172.]、质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC)[[]WeeJ.Applicationsofprotonexchangemembranefuelcellsystems[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2007,11(8):1720-1738.]等。PEMFC相比于其它类型的燃料电池，具有工作能量转化效率高、无废
4、气排放、温度低、启动快等特点，被公认为是解决当下能源危机和环境污染的最具前景的方案之一,特别是交通运输、移动电源等方面极具应用前景[[]GamburzevS,ApplebyAJ.Recentprogressinperformanceimprovementoftheprotonexchangemembranefuelcell(PEMFC)[J].JournalofPowerSources,2002,107(1):5–12.][[]毛宗强.燃料电池.北京:化学工业出版社2005.]。因此，丰田、奔驰、本田、通用、现代等汽车制造巨头都致力于开
5、发车用质子交换膜燃料电池技术，并制定了各自商用化时间表，其中韩国现代已于2013量产了燃料电池汽车ix35,日本丰田也于2014年12月商业化燃料电池汽车MIRAI。1.1质子交换膜燃料电池1.1.1质子交换膜燃料电池的工作原理近十几年来，PEMFC在关键材料和电堆技术方面的研发取得了巨大进展，在燃料使用方面，氢气或甲醇成为主要来源。图1-1即为两者的工作原理示意图：图1-1质子交换膜燃料电池的工作原理示意图Figure1-1.TheprincipledrawingofthePEMFC.质子交换膜燃料电池由阳极、阴极、质子交换膜和外部电
6、路构成，其工作原理图如1-1所示。燃料（氢气或甲醇）通过流道到达阳极,在阳极催化剂的作用下解离为质子和电子,质子通过质子交换膜到达阴极；电子则通过外电路到达阴极。在阴极催化剂的作用下,质子阴极的氧气或空气反应,生成水。电子通过外电路时产生电子流,向负载输出电能[[]孙琨.基于Nafion膜改性的新型质子交换膜的制备与表征[D].北京交通大学,2009.]。其反应方程式如下：以氢气（H2）为燃料时，电极反应为：以甲醇水溶液（CH3OH/H2OSolution）为燃料时，电极反应为：1.1.2质子交换膜的使用要求质子交换膜燃料电池的核心部件
7、是有阴极、阳极和质子交换膜组成的膜电极，其性能决定电池的使用性能。质子交换膜在其中起着阻隔燃料直接接触反应以及传导质子的作用，它是一种选择透过性膜，因此质子交换膜需满足以下要求[[]窦志宇.新型燃料电池用质子交换膜的合成和性能研究[D].吉林大学,2006.]：（1）燃料的渗透性低，以避免燃料与氧化剂在电极表面直接发生化学反应，造成催化剂中毒及局部过热，影响电池的正常使用。（2）耐热、耐酸碱稳定性好，抗氧化且不易被降解，以保证电池的正常使用。（3）质子传导能力强，以降低膜的欧姆电阻，提高功率密度。（4）合适的机械强度及断裂伸长率，适合膜
8、电极的制作。（5）原料易得，成本低廉，适合大规模生产。1.2质子交换膜的种类迄今为止，质子交换膜的种类繁多，按照不同的分类方式可将质子交换膜分类如下：按照功能化基团不同，可将质子交换膜分为磺酸型质子交换膜[
