用于高温质子交换膜燃料电池的nafion复合膜研究 (1)

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1、第一章综述第一章综述1.1燃料电池概述燃料电池是一种能将燃料的化学能转化为电能的电化学反应装置，被认为是“21世纪最理想的发电技术”之一[1]。燃料电池以H2、甲醇等为燃料，以纯O2或空气为氧化剂，在运行过程中，按照电化学原理将储存在燃料中的化学能直接转化为电能。与其他发电技术相比，燃料电池因未经过燃烧而直接将化学能转化为化学能，所以不受卡诺循环的限制，具有很高的能量转化率。燃料电池的能量转化率可达40%~60%[2]，而传统的煤发电等技术因经过多步能量转换，其转化效率仅为30%~40%[3]。燃料电池以H2为燃料时，反应产物只有水，对环境不造成污染，是一种环境友好

2、的发电技术。因其具有高效环保、噪音小、寿命高和可连续发电等优点，燃料电池在航空航天、电动汽车、分布电站以及便携式电源等领域有着非常广阔的应用前景。依据电解质分类，燃料电池可分为磷酸燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell，PAFC）、碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）和质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）[4]。如今燃料电池的

3、发展已具有一百多年的历史。1839年，英国科学家格罗夫（W.R.Grove）发明了第一个燃料电池装置。他将装有铂丝电极的两个试管浸在硫酸溶液中，分别向试管中通入氢气和氧气，当气体与电极和溶液接触时获得了0.5~0.6V的电压。该装置被命名为气体伏打电池[5]。1889年，蒙德（L.Mond）和朗格尔（C.Langer）组装了一个“新型气体电池”，并首次使用了“燃料电池”这一术语[6]。1959年，培根（F.T.Bacon）成功建造了压滤机式碱性燃料电池电堆，该电堆的功率达到6kW，并成功为叉车、焊接机提供动力[7]。20世纪60年代，美国通用电气公司设计出更高效的质

4、子交换膜燃料电池，并成功服务于美国NASA的“双子星”计划。碱性燃料电池也成功用于“阿波罗”登月飞船和“挑战者”号航天飞机上。多年的发展使燃料电池技术不断取得进步，逐渐迈向商业化。20世纪70~80年代世界出现严重的能源危机，世界各国制定了一系列发展计划来支持燃料电池的研究，大大促进了燃料电池的发展。经过多年的发展，燃料电池技术日渐成熟，但人们仍在不断地研究探索以降低燃料电池的成本，使其能够大规模商业化。随着汽车数量的增加，传统燃油汽车对环境的污染日益严重，质子交换膜燃2万方数据第一章综述料电池汽车作为最有前途的新能源环保汽车之一正逐步成为世界汽车企业竞相研究的热点

5、。通用公司在美国多个地区投放了100辆雪佛兰Equinox氢燃料电池汽车，2009年汽车的总行驶里程达到了160万千米[8]。日本丰田公司研制的燃料电池汽车在实际测试中实现了在－37℃顺利启动，一次加氢行驶里程达到了830km[9]。奔驰公司生产的B级燃料电池汽车通过环球旅行展示了其卓越的性能，其续航里程、加速性能等已与传统汽油车相当[10]。近年来车用燃料电池技术取得了很大的发展，但是目前燃料电池汽车仍处于示范阶段。燃料电池在商业化的道路上仍面临着高成本、低寿命等一系列瓶颈问题，其实现民用依然面临着巨大挑战[11]。1.1质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池（PE

6、MFC）不仅具有能量转化率高、环保的特点，同时还具有低温快速启动、水容易排出、无电解液流失、比能量高等特点[12]。因此，它特别适宜用作可移动电源，是电动汽车和潜艇的理想电源之一。在未来以氢作为主要能源的氢能时代，它也是最佳的家庭动力电源[13]。随着电动汽车研究热潮的到来，PEMFC取得了长足的发展，已成为最接近商业化的燃料电池[14]。质子交换膜燃料电池（PEMFC）单电池主要由膜电极（MEA）、双极板和密封垫片三部分组成（见图1-1）。双极板的两侧具有使气体均匀分布的流场，起支撑膜电极、收集电流、分隔氧化剂和还原剂并引导它们在电极表面流动的作用。膜电极是PEF

7、MC的核心组成部分，由气体扩散层、催化层、质子交换膜通过热压制备而成[15]。气体扩散层通常由导电子的多孔材料构成，起收集电流和传输/分布反应气体以及水的作用，应具有良好的排水性、透气性和导电性。催化层是发生电化学反应的场所，必须能够为质子、电子和反应气体提供连续的传输通道，同时还能够及时排出反应产生的水。质子交换膜是PEMFC的关键部分，将阳极处的燃料和阴极处的氧化剂阻隔开来，并将反应过程中生成的质子从阳极侧传递到阴极侧[16]。3万方数据第一章综述图1-1PEMFC单电池结构示意图[17]Fig.1-1StructureofsinglebatteryofPE