质子交换膜燃料电池-倪飞

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1、质子交换膜燃料电池protonexchangemembranefuelcell应用化学10-1班倪飞06102686摘要：介绍质子交换膜燃料电池的工作原理、性能特点、广阔的应用及发展前景，同时也介绍了燃料电池的关键材料与关键技术和一些应用技术。关键词：质子交换膜燃料电池；技术；发展；应用前景前言众所周知，如今随着工业科技的发展，不可再生的化石能源资源大量消耗，且造成了十分严重的环境污染，人类社会的可持续发展面临着严峻的挑战。根据国际能源机构预测，随着经济的发展、社会的进步和人口的增长，全世界的能源消耗在今后20年至少要增加一倍。如果没有新型的能源动力，世界将从目前的能源短缺很快走向能

2、源枯竭。为解决经济发展与能源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾，发展清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成了十分紧迫的任务，也引起了各国的高度重视。质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术就是这样一种绿色能源技术，它被认为是继蒸汽机和内燃机之后的具有能源革命意义的新一代能源动力系统。1、质子交换膜燃料电池简介质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell，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，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质

3、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。质子交换膜燃料电池的电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆，如附图所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。质子交换膜燃料电池的电堆核心是MEA组件和双极板。MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt

4、催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。双极板常用石墨板材料制作，具有高密度、高强度，无穿孔性漏气，在高压强下无变形，导电、导热性能优良，与电极相容性好等特点。常用石墨双极板厚度约2～3.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。PEMFC燃料电池最初是在20世纪60年代由美国开发的，已多次成功的用于双子星座宇宙飞船的飞行。然而，当时所用的质子交换膜的抗氧化能力不够，电池组工作寿命短。60年代中期出现的全氟磺酸膜有很好的热稳定性和化学稳定性，因而80年代初开始广泛研

5、制以美国杜邦公司Nafion作为交换膜的PEMFC，同时亦偶有使用Dow公司的Dow膜和聚苯并咪唑膜。PEMFC一般用氢作为燃料，由于氢的运输和储存问题，人们开始提出用甲醇等有机小分子作为PEMFC的燃料。1、质子交换膜燃料电池的工作原理燃料电池的工作过程是电解水的逆过程，其基本原理早在1839年由英国律师见物理学家威廉·罗伯特·格罗夫提出。他是世界上第一位实现电解水逆反应并产生电流的科学家。一个半世纪以来，燃料电池除了被用于宇航等特殊领域外，极少受到人们关注。只是到近十几年来，随着环境保护、节约能源、保护有限自然资源的意识加强，燃料电池才开始得到重视和发展。PEMFC技术是目前世界

6、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，其工作原理图如图一所示：（1）氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子。（2）氢离子穿过电解质（质子交换膜）到达阴极；电子则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，氧与氢离子及电子发生反应生成水。燃料电池有多种，各种燃料电池之间的区别在于使用的电解质不同。质子交换膜燃料电池以质子交换膜为电解质，其特点是工作温度低，启动速度快，特别适用于作动力

7、电池。电池内化学反应温度一般不超过80°C，故称为“冷燃烧”。2、质子交换膜燃料电池燃料电池系统结构燃料电池的工作原理与普通电化学电池之间存在较大差别：普通电池是将化学能储存在电池内部的化学物质中，它只是一个有限的电能输出和储存装置；而燃料电池的燃料和氧化剂则是储存在电池外的储罐中。燃料电池发电时，需要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也排出一定的废热，以维持电池工作温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率大小，其储存的能量则由储存在储罐