质子交换膜燃料电池控制策略研究
新型质子交换膜燃料电池的研究与开发
新型质子交换膜燃料电池的研究与开发随着经济发展，人们对能源的需求也越来越高。
然而，传统的化石燃料对环境的破坏越来越大，且资源越来越紧缺。
因此，寻找可再生、清洁、高效的能源逐渐成为了全球的共识。
而新型质子交换膜燃料电池成为了关注的研究热点。
一、质子交换膜燃料电池的优势质子交换膜燃料电池是一种用氢与氧反应来产生电能的设备。
相比之下，传统的燃料电池使用的是化石燃料，如石油和天然气。
燃料电池的优势有以下几点：1. 高效能：燃料电池的能量转换效率为50%以上，而传统发动机仅为25%左右。
这使质子交换膜燃料电池成为了最有效的电池之一。
2. 清洁环保：质子交换膜燃料电池的唯一废产物是水。
因此，与使用化石燃料的传统电池相比，燃料电池不会产生有害气体，没有污染排放。
3. 能源稳定性：由于质子交换膜燃料电池使用的是氢气，这种燃料相对丰富，且没有害处。
因此，与石油和天然气这样的不稳定化石燃料相比，氢气可以被更好地掌控和管理。
二、质子交换膜燃料电池的研究质子交换膜燃料电池并不是一项新技术。
早在1960年，燃料电池就已经出现了。
然而，在当时，这种电池的使用成本还很高，因为需要使用贵重的铂催化剂。
如今，随着技术的发展，研究人员已经在材料和设计上进行了改进。
1. 材料研究在传统的质子交换膜中，铂催化剂仍然是必不可少的。
然而，随着技术的进步，研究人员正在寻找替代铂催化剂的材料，如铜和镍。
这些材料不仅廉价，而且对环境的影响也更小。
此外，针对质子交换膜的结构，一些新型材料也正在被研究和开发。
例如，有研究人员开发了一种“多孔材料镀膜技术”，使得膜周围被覆盖上了微小的孔洞，这样可以增强质子的传导能力。
2. 设计研究目前，质子交换膜的设计一般分为两种类型：单电池和堆。
通常，单电池可以产生几十千瓦的输出，而堆则能够产生几百千瓦的输出。
与单电池相比，堆的优势在于其能够同时连接多个电池，从而产生更高的输出。
不过，堆的设计比单电池更加复杂，需要更加复杂的系统和程序控制。
质子交换膜燃料电池的研究与应用
质子交换膜燃料电池的研究与应用质子交换膜燃料电池是一种基于氢能源的新兴技术，广泛应用于能源领域。
本文将分析质子交换膜燃料电池的原理、应用、优缺点及发展前景。
一、质子交换膜燃料电池的原理质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种将氢气和氧气转化为电能的设备，其基本原理是将氢气和空气（氧气）分别输送至质子交换膜两侧，并在质子交换膜上发生氧化还原反应，电子通过外部电路流动，氢气通过催化剂氧化还原发生水、热、电能转化的同时，当质子交换膜充满水分子时，则亦成为一种直接利用水中质子的电池，因其效率高，无污染，所以广受青睐。
二、质子交换膜燃料电池的应用质子交换膜燃料电池是一种非常高效且环保的能源转换方式，受到了广泛的应用。
它广泛应用于交通、家庭、商业和军事等领域，包括汽车、发电机、无人机、军事设备等。
在交通领域，质子交换膜燃料电池可以用作汽车或公共交通工具的动力源，它的高效性、清洁性、安全性和可靠性，使它成为未来替代石油燃料汽车最有潜力的选择之一。
特别是在开发氢气加氢站方面，各国政府积极推进相关基础设施建设，以加速质子交换膜燃料电池汽车的普及。
在家庭和商业领域，质子交换膜燃料电池可以用于灯具、空调和热水器等的供电，这些设备与传统燃料电池相比，能更好地控制产生的热量和电量，因此更加安全和高效。
在军事领域，质子交换膜燃料电池则广泛应用于军事船只、潜艇、机器人、航空器等方面，而其快速、高效、安全、稳定的特点则让其成为军方的首选动力源。
三、质子交换膜燃料电池的优缺点质子交换膜燃料电池具有以下优点：1、高效节能：质子交换膜燃料电池的效率是燃油发动机的两倍，能够更加高效利用能源。
2、清洁环保：质子交换膜燃料电池不产生污染物和温室气体，完全符合环保准则。
3、高度可靠：质子交换膜燃料电池在运行时基本不需要维护，具备较强的可靠性。
4、模块化、便携：质子交换膜燃料电池的模块化设计，使得它可以轻易地安装在各种设备中，具有良好的可携性。
燃料电池系统中氢质子交换膜的研究
燃料电池系统中氢质子交换膜的研究燃料电池技术作为清洁能源领域的重要代表之一，在近年来受到了广泛关注和研究。
其中，氢质子交换膜作为燃料电池系统中至关重要的组件之一，起着承载电化学反应活性物质、传递质子的关键作用。
对氢质子交换膜的研究不仅对于提高燃料电池系统的效率和稳定性具有重要意义，同时也有助于推动燃料电池技术的进一步发展和应用。
本文将从氢质子交换膜在燃料电池系统中的作用机制、研究现状、存在问题以及解决方案等方面展开深入探讨，旨在为燃料电池技术的发展提供一定的参考和启示。
燃料电池系统中的氢质子交换膜是连接阳极和阴极的关键部件，承担着将氢气（阳极）和氧气（阴极）之间传递质子的功能。
在燃料电池系统中，氢气在阳极催化剂层上发生氧化反应，生成质子和电子，质子通过氢质子交换膜传递至阴极；电子则通过外部电路传递至阴极，与氧气发生还原反应，最终生成水蒸气。
氢质子交换膜的导电性、质子传导性、稳定性等性能直接影响整个燃料电池系统的工作效率和稳定性。
在当前燃料电池技术研究领域，氢质子交换膜材料的研究是一个备受关注的热点。
研究人员通过结构设计、材料改性等途径，不断探索提高氢质子交换膜性能的新方法和新途径。
目前，常见的氢质子交换膜材料包括聚四氟乙烯（PTFE）、聚苯硫醚（PSS）、聚磺酸酰亚胺（PSU）等。
然而，传统的氢质子交换膜材料存在着导电率低、质子传导率不稳定、耐热性和耐化学腐蚀性不足等问题，制约了燃料电池系统整体性能的提升。
为了解决传统氢质子交换膜材料存在的问题，研究人员开始探索新型氢质子交换膜材料的开发和应用。
纳米材料作为一种新兴材料，在氢质子交换膜领域也展现出了巨大的潜力。
石墨烯、碳纳米管、纳米氧化物等纳米材料的引入，可以有效提高氢质子交换膜的导电性和质子传导性，改善燃料电池系统的工作稳定性和效率。
同时，采用复合材料、功能化改性等技术，也可以有效地提升氢质子交换膜的综合性能，为燃料电池技术的发展带来新的机遇和挑战。
质子交换膜燃料电池动态模型与控制研究的开题报告
质子交换膜燃料电池动态模型与控制研究的开题报告一、选题背景质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种新型的清洁能源电池，由于其高能效、低污染、轻便化、静音等优点，被广泛应用于敏感环境和无人机等领域。
然而，由于其工作过程受到多种因素的影响，如氢气质量、温度、压力、湿度等，因此需要在控制策略方面研究更全面的模型和算法。
二、研究目的本研究的主要目的是建立PEMFC的动态模型，并针对不同工况设计控制策略。
通过理论模型和实际应用相结合的方法，提高PEMFC的能效、降低污染、增强系统鲁棒性。
三、研究内容（1）PEMFC的动态模型研究：根据电化学特性建立PEMFC的动态模型，考虑氢气、氧气和水的输运过程，建立其物理方程并数值求解。
（2）PEMFC的控制策略设计：结合建立的动态模型，设计不同场景下的控制策略，包括喂氢压力和流量、温度、湿度等控制。
（3）仿真和实验验证：通过Matlab/Simulink进行仿真验证，并搭建实验平台进行实际验证，以验证所设计的控制策略的有效性和可行性，并根据实验数据对模型进行改进和优化。
四、研究意义本研究的成果可以为PEMFC的应用提供更为全面的控制策略，提高PEMFC的能效和可靠性，并为出口无人机等领域的应用提供有力支持。
五、研究方法采用理论推导和实验验证相结合的方法，通过建立动态模型、控制策略的设计以及实验验证、数据分析等方法，探究PEMFC的动态机理和控制策略。
六、预期成果预期成果包括：（1）建立PEMFC的动态模型。
（2）设计不同工况下的控制策略。
（3）验证控制策略在仿真和实验条件下的有效性和可行性。
（4）为PEMFC的应用提供可靠的控制策略和技术支持。
七、研究进度安排阶段 | 内容 | 完成时间------|--------------------------------------|-----------第一阶段|文献综述、动态模型建立 | 2022.2-2022.6第二阶段|控制策略设计、仿真分析 | 2022.7-2023.1第三阶段|实验平台搭建、实验验证 | 2023.2-2023.6第四阶段|数据分析、成果总结、论文撰写 | 2023.7-2023.12八、参考文献[1] Liu, Y.; Zhao, T.S.; Zhang, J.W. A review on water management in polymer electrolyte membrane fuel cells. Frontiers of Energy and Power Engineering in China 2011, 5, 1–12.[2] Jia, Y.; Yi, B.; Markondeya Raj, S.; Zhang, X.; Zou, J. Robust output feedback control for nonlinear systems with parameter uncertainties and unknown disturbances. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs 2015, 62, 958-962.[3] Aghdam, A.G.; Ghadimi, N.; Marzband, M.; Sabzpoushan, S.H.; Keynia, F. A novel control strategy for fuel cell-battery hybrid system in fuel cell electric vehicle application. Energy 2015, 89, 271-281.[4] Chan, S.H.; Khor, K.A.; Xia, Z.T. A complete polarization model of a PEM fuel cell and its sensitivity to various physical parameters. Journal of Power Sources 2002, 102, 304-315.[5] Dufo-López, R.; Contreras, J. Optimal control of a hybrid solar-wind power system for stand-alone applications. IEEE Transactions on Industrial Electronics 2008, 55, 2752-2758.。
质子交换膜燃料电池研究
质子交换膜燃料电池研究章晖【摘要】Proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) has an extensive application respective in EV, portable electronic device, stationary power plant and special power with the advantages of high energy conversion efficiency and quick startup at ambient temperature. The technology and mechanism of PEMFC was researched, and its structure defects were analyzed. It is concluded that to research novel catalysts with high activity and excellent stability is very important for the future fuel cell.%质子交换膜燃料电池(PEMFC)因无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，可室温快速启动，在电动车、便携式电子设备、固定电站和军用特种电源等方面都有广阔的应用前景。
研究了质子交换膜燃料电池实用化的技术及机理，对其结构缺陷进行了分析，认为开拓新的催化剂体系，合成出活性更高、稳定性更好的催化剂对于燃料电池来说意义重大。
【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】2页(P763-764)【关键词】质子交换膜燃料电池;燃料电池车;催化剂【作者】章晖【作者单位】海装天津局，天津 300384【正文语种】中文【中图分类】TM911质子交换膜燃料电池因无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，可室温快速启动，在电动车、便携式电子设备、固定电站和军用特种电源等方面都有广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池机车的优化控制研究
矿 山机 车等 ） 其产 生 的废 气 不可 避免会 给环 境 造 成污 染 。 因此 ， 现 轨 道交 通 领 域 的节 能 减 ， 实
排是 一个 迫切 需要 解决 的重 大问题 ， 燃料 电池 机车 （ 而 含燃 料 电池 电动机 车 和燃料 电 池混合 动 力机 车 ） 解决 该 问题 的一 个 重要 手段 。近 年来 ， 料 电池 机 车 之所 以受 到 高度 重 视 ， 因为 是 燃 是 与传 统 电力 机 车 、 内燃 机车 相 比， 它具有 一 系列显 著 优势 ： 燃 料 电 池采 用 可再 生 能源 （ 气 ） ① 氢 替代 电力 和石 油 ， 反应 产 物 为水 ， 其 没有 废气排 放 ， 也没 有 常规 电气化 铁路 的强 电磁 干扰 ， 因此
作者简介 ： 维荣 ， ， 授 。 陈 男 教
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前 沿动态
２１ ０ ０年第 ２期
有 的辨识模 型虽然 克 服 了机 理模 型 的复杂性 ， 是 建立 高维 辨 识模 型 需 要 大量 的实 验 数 据且 但 要求 输 出变量 是 可观测 的 ， 因此直 接增 加 了建模 的成本 和难 度 ， 不适 用 于机 车 用 Ｐ ＭＦ Ｅ Ｃ系统
质 子 交换 膜 燃 料 电池 机 车 的优 化 控 制研 究
陈维 荣 （ － ． ｆ 院） 电 ‘ ． ￣学 －ｒ ｔ－ ．－
能 源危 机与环 境 保护 是 当前 全世 界所 面临 的重 要 挑 战 ， 低碳 经济 已成 为世 界 各 国的重 要 战略决 策 。轨道交 通 是能 源 消耗 的一 个大 户 ， 电力 牵引 外 ， 除 目前仍 有 大量 轨道机 车 采用 内燃 机 车 （ 铁路 的各 种 内燃施 工 作业 车 、 电气 化 路段 的 内燃 牵 引机 车 、 铁 的各种 检修 作业 车 、 如 非 地
质子交换膜燃料电池的研究
质⼦交换膜燃料电池的研究第4卷第3期1998年8⽉电化学EL ECT ROCHEM IST RYV ol.4 No.3Aug.1998质⼦交换膜燃料电池的研究葛善海** ⾐宝廉* 徐洪峰韩明邵志刚(中国科学院⼤连化学物理研究所⼤连116023)摘要通过测定电压~电流密度曲线等⽅法研究质⼦交换膜燃料电池的电极参数,构造了E cell=0.7V,I=0.55A/cm2并能够稳定运⾏的燃料电池.改进电池的电极结构,研究了各种操作条件如温度、压⼒、增湿情况、尾⽓流量等对电池性能的影响.关键词质⼦交换膜,燃料电池,电极质⼦交换膜燃料电池(PCMFC)是继碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)⽽发展起来的第五代燃料电池.PEM FC的电极为多孔⽓体扩散电极,以纯铂或碳载铂作电催化剂,电解质为全氟磺酸型固体聚合物,氢⽓为燃料,氧⽓或空⽓为氧化剂.由于PEMFC可以低温起动,⽆电解质腐蚀问题,对环境没有污染以及具有⾼的能量效率和⾼的功率密度[1],PEM FC最有希望成为电动汽车的动⼒源[2],从本世纪⼋⼗年代起,包括美国、加拿⼤、⽇本等许多发达国家竞相开展PEM FC的研究⼯作[3~8].本⽂简介了我们的PEMFC研究结果.1 实验1.1 电池的组装质⼦交换膜燃料电池的结构如图1所⽰,膜、电极三合⼀组件的两侧各放⼀张或数张经憎⽔化处理的拉伸钛⽹或镍⽹,⽹的作⽤是搜集电流.垫⽚为聚四氟⼄烯垫⽚或橡胶垫⽚,两块极板为不锈钢板.1.2 ⼯艺流程质⼦交换膜燃料电池⼯作的⼯艺流程如图2所⽰:氢⽓和氧⽓经减压后进⼊各⾃的增湿器增湿后进⼊电池,电化学反应产物⽔随着尾⽓排出电池,尾⽓经冷却⽓⽔分离后排空,⽔经搜集后排放,电池和两个增湿器的温度分别由温度⾃动控制器控制,外电路系统接可变电阻器以控制电流输出.作电池的循环伏安实验时,外电路系统可与微机连接,微机将⾃动记录电池的循环伏安曲线,微机同样可以记录在稳定电流下,电池电压变化情况.2 实验结果与讨论本⽂1997 07 21收到,1997 09 30收到修改稿* 通讯联系⼈; **现在⼤连理⼯⼤学化⼯学院图1 质⼦交换膜燃料电池结构⽰意图Fig.1 Schematic of PEM F C structure1)anode plate,2、6)gasket,3、5)cur rent collector,4)M &E assembly,7)cathodeplate图2 质⼦交换膜燃料电池⼯艺流程图Fig.2 Schematic diagram of PEM FC test stat ion1)hydrog en cylinder ,2、13)flow meter ,3、12)tube fulled with silica -gel,4、11)trap,5、10)hu midifier,6)cell,7、8、9)temperature controller,14)oxy gencylinder图3 质⼦膜类型不同时PEM F C 电池的电压~电流密度曲线Fig.3 Cell potential vs.current densityplo ts for P EM FC wit h different membraneo)Nafion membr ane,+)Ex chang e membr ane made by Shanghai Inst.of Organic Chem, )HFCT cell =T H2=T O2=353K, a =1.5, c =2.0,p a =0.4M pa,p c =0.6M pa2.1 质⼦膜、电极对电池性能的影响(1)质⼦交换膜对电池性能的影响质⼦交换膜具有双重功能:电解质、隔膜.分别⽤HFC 膜、上海有机所⽣产的膜和Nafion 117膜组装的电池性能如图3所⽰,其铂含量为4m g/cm 2,如图,以H FC 膜、上海有机所膜组装的电池性能明显不如Nafion 117膜所组装的电池性能,原因即在于这两种膜的质⼦导电性不好.(2)电极层对电池性能的影响电化学反应所需反应⽓通过多孔扩散层传递到催化层,电化学反应产物⽔也通过多孔扩散层传递到⽓室中.由于扩散层所担负的作⽤,要求它有⼀定的机械强度,良好的导电性,⽐较⼤的孔隙率;尽可能地薄,并有⼀定的憎⽔性以保证⽓体在⽓相中进⾏扩散.图4⽰出扩散层分别⽤滚压的⿊膜、经憎⽔化处理的国产碳纸或经憎⽔化处理的进⼝⽯墨碳纸作成的电池的极化曲线,催化剂含量为4mg/cm 2.由图中可以看出,以⽯墨碳纸为扩散层的电池性能⽐以滚压⿊膜及国产碳纸为扩散层的电池性能好得多,⽯墨碳纸的孔隙率⼤、孔径⼤、憎⽔性好,有利于排⽔和⽓相传质,⽽滚压⿊膜不仅孔隙率⼩、孔径⼩、憎⽔性也差.300 电化学1998年图4 扩散层材料不同时电压~电流密度曲线Fig.4 Cell po tential vs.current density plots having different diffusion lay erso)graphite carbon paper, )carbon paper made in China,+)rolled car bon black pa perT cell =T H2=T O2=353K, a = 1.5, c =2.0,p a =0.4Mpa,p c =0.6Mpa图5 催化剂含量不同时P EM FC 的电压~电流密度曲线Fig.5 Cell potential vs.current densit y plots for electro de having different catalyst contents+)Pt 6mg /cm 2, )Pt 4mg/cm 2,o )Pt 2mg/cm 2, T cell =T H2=T O2=353K , a = 1.5, c =2.0,p a =0.4M pa,p c =0.6M pa(3)电极催化层对电池性能的影响a)催化剂含量的影响电极的催化层由铂、PTFE 、和Nafion 所构成.图5为催化剂含量不同时电池的极化曲线,Nafion 量为0.6mg /cm 2,PTFE 占铂的分率均为10%.由实验可以看出,随着铂含量的提⾼,电池的性能越来越好,但是,铂含量为4mg/cm 2的电极与铂含量为6mg/cm 2的电极基本相同,从节约催化剂的⾓度看,当采⽤4mg/cm 2的电极为宜若忽略传质的影响,电池的电压E 可以表⽰为[3]E =E O -b log i-R i i(1)E O =E r +b log i 0(2)E r 是电池可逆电动势,i 0是氧还原反应交换电流密度,b 是Tafel 斜率,R i 是欧姆电阻,当活化过电位(主要是氧还原过电位)和欧姆过电位占电势损失的主要部分时,极化曲线可以⽤⽅程(1)、(2)描述.据图5极化曲线,⽤最⼩⼆乘法算出式(1),(2)中的参数E 0,b,R i 列于表1:表1 不同含量催化剂的PEM F C 电极的动⼒学参数T ab 1 K inetic paraneters for the electrodes having different catalyst contents催化剂含量/mg cm -2反应⽓⽓体压⼒/M Pa电池温度/E 0/V b /V.dec -1R i / cm 22H 2/O 20.4/0.680 1.000.0320.554H 2/O 20.4/0.680 1.050.0400.406H 2/O 20.4/0.6801.060.0360.42b)Nafion 含量的影响301 第3期葛善海等:质⼦交换膜燃料电池的研究图6是催化层中Nafion 含量不同时电池的极化曲线,催化剂含量为4mg/cm 2.实验表明,Nafion 含量为0.6mg/cm 2的电池性能⽐较好.在催化剂表⾯涂上⼀层Nafion,⽬的是扩⼤电化学反应⾯积.Nafion 的加⼊量太少,⽴体化效果不好,Nafion 的加⼊量太多时,将引起催化层中部分孔道被堵死.Nafion 层加厚,实际上等于增⼤了质⼦膜的厚度,质⼦传质速率降低.图6 Nafion 含量不同时电池的电压~电流密度曲线Fig.6 Cell potential vs.current densit y plots forelectrode hav ing different N afio n contents +)Nafion 0.6mg/cm 2, )Nafion 0.9mg /cm 2,o )N afion 0.3mg /cm 2T cell =T H2=T O2=353K , a = 1.5, c =2.0,p a =0.4M pa,p c =0.6Mpa图7 PT F E 含量不同时电池的电压~电流密度曲线F ig.7 Cell potential vs.cur rent density plots for electrode having different PT FE contents +)PT FE 10%, )PT FE 15%,o)PT F E 5%,T cell =T H2=T O2=353K , a = 1.5, c =2.0,p a =0.4M pa,p c =0.6M pac)PTFE 含量的影响在催化层中加⼊PTFE,主要是起粘结剂的作⽤和防⽔,PT FE 含量不能太多,否则电阻增⼤,电池性能降低.图7为催化层中PT FE 含量不同时电池的极化曲线,如图可见,PTFE 含量为10%最好.2.2 操作条件对电池性能的影响(1)增湿程度对电池性能的影响图8是当电池电压恒定为0.7V 时,扩散层分别为⽯墨碳纸和国产碳纸的电池的电流密度与阴极、阳极增湿温度的关系.随着增湿温度的提⾼,进⼝反应⽓中⽔蒸汽的饱和度的增加,电流密度升⾼,当增湿度过⼤时,反应⽓体被稀释,从⽽引起电极电位降低,同时阴极过饱和增湿,不利于⽔的排出,从⽽导致阴极侧被⽔浸淹,氧⽓的扩散阻⼒增加.(2)电池温度对电池性能的影响在电池的操作条件中,温度对电池性能的影响⾮常显著.图9为不同温度下电池的极化曲线,表2为根据该温度下电池的极化曲线进⾏拟合的动⼒学参数.从图9和表2可以看到,提⾼温度,E 0基本不变,⽽欧姆电阻R i 显著减⼩,这主要原因是温度提⾼,氢⽓、氧⽓的扩散302 电化学1998年图8 增温程度与电池电流的关系Fig.8 Humidity vs.cell current density plots)g raphite carbon paper,+)carbon paper made in China E cell =0.7V ,T cell =353K, a =1.5, c =2.0,p a =0.4M pa,p c =0.6Mpa图9 不同电池温度下电池的电压~电流密度曲线F ig.9 Cell potential vs.cur rent densit y plots for cellw ith different temper ature+)T cell =95 , )T cell =80 ,o)T cell =50 , a =1.5, c =2.0,p a =0.4M pa,p c =0.6M pa系数加⼤,同时质⼦膜内的⽔扩散系数增加,从⽽质⼦膜内的⽔分布均匀,膜压降减⼩.同时,提⾼温度,有利于⽔的排出,并使电催化剂铂的活性提⾼,电化学反应速率加快.我们的实验还得到,在较⾼的温度(95 )下,电池的性能⽐80 时的好,但温度更⾼,⽔蒸汽分压上升很快,这不仅稀释了反应⽓,更主要的是造成膜的失⽔问题.表2 不同温度下电极的动⼒学参数T ab.2 K inetic parameters for the electro des wit h different cell temperature电池温度/反应⽓⽓体压⼒/M Pa 增湿温度/ E 0/V b /V dec -1R i / cm 250H 2/O 20.4/0.650 1.0000.420.5280H 2/O 20.4/0.680 1.0200.460.4895H 2/O 20.4/0.6951.0120.440.43(3)压⼒对电池性能的影响图10为压⼒不同时电池的极化曲线,表3为根据该压⼒下电池的极化曲线进⾏拟合的动⼒学参数.由图10可以看出,提⾼压⼒,有利于提⾼电池的性能,实际上压⼒提⾼,反应物的浓度提⾼,在相同的过电位的情况下,电流密度提⾼,从⽽电池性能提⾼.303 第3期葛善海等:质⼦交换膜燃料电池的研究图10 ⽓体压⼒不同时电池的电压~电流密度的关系Fig.10 Cell potential vs.cur rent density plots withdiffer ent gas pressure+)p a =0.4M pa,p c =0.6M pa, )p a =p c =0.3M pa,+)p a =p c =0.2M pa, )p a =p c =0.1M pa,T cell =T H2=T O2=353K, a =1.5, c =2.图11 阴极尾⽓流量不同时电流密度F ig.11 Cur rent density w ith different cathode flowr ates+)carbon paper made in China, )rolled carbon black paper,T cell =T H2=T O2=353K , a =1.5,p a =p c =0.4Mpa表3 不同⽓体压⼒下电极的动⼒学参数T ab.3 K inet ic par ameters for the electrodes w ith differ ent gas pr essure电池温度/反应⽓⽓体压⼒/M Pa E 0/V b /V dec -1R i / cm 280H 2/O 20.4/0.6 1.0500.0420.5080H 2/O 20.4/0.4 1.0420.0430.4980H 2/O 20.3/0.3 1.0200.0390.5280H 2/O 20.2/0.21.0110.0380.5180H 2/O 20.1/0.11.0000.400.55(4)阴极、阳极尾⽓流量对电池性能的影响质⼦交换膜燃料电池能否稳定操作的重要条件之⼀就是在于电池中⽔的排出,为了节约燃料⽓和氧化剂,尾⽓排放量不宜太⼤,但排放量⼩对电池的排⽔不利,图11⽰出电池在恒电压下操作,改变阴极尾⽓流量时的电池电流密度,由实验可以看到:阴极尾⽓流量对电池的性能有影响.在 c >16时,电池性能急剧下降,这是因为质⼦膜部分失⽔的缘故.(5)反应⽓体对电池性能的影响以空⽓为氧化剂的燃料电池与以氧⽓为氧化剂的燃料电池其性能有很⼤的差别,由于氧304 电化学1998年图12 氧⽓、空⽓为氧化剂的电池电压~电流密度曲线 F ig.12 Cell po tential vs.current densityplots with ox ygen or air as ox idant +)ox ygen, )air ,T cell =353K , a =1.5, c =2.0,p a =p c =0.4M pa的分压对电池的性能影响很⼤,图12⽰出以空⽓为氧化剂的电池明显不如以氧⽓为氧化剂的电池.在⼤电流密度下,氧⽓通过停滞的氮⽓和反向(整体)流动的⽔向催化层扩散的通量将⼤⼤减⼩,空⽓中的杂质组分等不仅影响扩散速率,也影响氧⽓在催化剂表⾯的吸附.3 结论1.质⼦膜、电极的扩散层的好环对电池的影响很⼤.2.在电极的催化层中,铂含量为4mg/cm 2,PTFE 含量为10%、Nafion 含量为0.6mg/cm 2所构成的电极较好.3.对反应⽓进⾏适当的增湿可以提⾼电池性能.4.⾼温使膜内⽔分布均匀,减⼩膜电阻,并且有利于传质.Study of Proton exchange Membrane Fuel Cells(PEM FC)Ge Shanhai Yi Baolian *Xu Hongfen Han M ing Shao Zhigang(Dalian I nstitute of Chemical Phycics ,Chinese Academy of Science,Dalian 116023)AbstractT he electrode kinetic parameters for proton ex chang e membrane fuel cells(PEMFC)were investigated by measuring the relations of cell potential and current density.An experimental stack of PEM FC w hich can be operated at E c ell =0.7V,I =0.55A/cm 2steadily is presented,and the effects of electrode structure and operation conditions such as temperature,pressure,humidification,flow rate on the performance of PEM FC are discussed.Key wordsProton exchange membrane,Fuel cells,Electrode305 第3期葛善海等:质⼦交换膜燃料电池的研究References1 Srinivasan S.Fuel cells for extr aterrestr ial and terr estrial applicatio ns.J.Electrochem.Soc.,1989,136:41C2 Prater K B.Polymer electrolyte fuel cells a r ev iew of recent dev elopments.J.Power Sources,1994,51:1293 M urphy O J,Hitchens G D,M anko D J.High power density proton ex change membrane fuel cells.J.Pow erSources,1994,47:3534 Wilson M S,Go ttesfeld S.T hin film catalyst lay ers for polymer electroly te fuel cell electrodes.J.Appl.Electrochem.,1992,22:15 Wilson M S,Gottesfeld S.Hig h performance catalyzed membr anes of ultra low P t lo ading s fo r polymer electrolyte fuel cells.J.Electrochem.Soc.,1992,139:L28.6 Ferreir a A C,Srinivasan S,Appleby A J.Ex tended Abstracts of the 181st M eeting of the Electrochemical Society St.Louis,M O,1992,17~227 Y i,N guyen T V.In Pro to n Conducting M embrane Fuel Cells,Gottesfeld S,Halper t S,L angr ebe A.Editors,PV 95 23.T he Electrochemical Society Proceedings series,Pennington NJ.(1995):668 N guyen T V.A g as distributor for proton exchange membrane fuel cells,J.Electrochem.Soc.,1996,143:L103 306 电化学1998年。
燃料电池用质子交换膜研究进展
燃料电池用质子交换膜研究进展【摘要】质子交换膜在质子交换膜燃料电池中不仅起到传导质子，分隔燃料和氧化剂的作用，还要作为催化剂的支撑体。
本文对国内外质子交换膜的发展进行了综述，详细介绍了各类质子交换膜的结构及优缺点。
【关键词】燃料电池；质子交换膜；质子交换膜燃料电池0.前言燃料电池可直接将化学能转化为电能，能量转换效率高达60%～80%，实际使用效率是普通内燃机的2～3倍。
同时，还具有燃料多样化、噪音低、可靠性强、维修性好等优点。
因此开发燃料电池这种洁净能源技术是实现高效、合理使用资源和保护环境的一个重要途径，燃料电池技术是21世纪最具竞争力的能源新技术之一。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种低温燃料电池，除了具有一般燃料电池的能量转化率高、环境友好等特点外，还具有可在室温下快速启动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等特点。
1.质子交换膜质子交换膜是质子交换膜燃料电池的关键部分，它能起到分隔燃料和氧化剂、传导质子和绝缘电子的作用，其性能和寿命直接决定电池的性能和寿命。
质子交换膜的分类：1.1含氟主链聚合物膜C-F键的键能是485kJ/mol，高于C-H键的键能（350～435kJ/mol）和C-C 键的键能（350～410kJ/mol），同时氟原子的半径较大（0.64×10-10m），氟在C-C 键附近形成一道保护屏障，因此含C-F键的聚合物具有较高的热稳定性和化学稳定性。
这类聚合物膜主要有全氟磺酸膜和部分含氟聚合物膜两类。
（1）全氟磺酸膜。
目前PEMFC中应用的质子交换膜几乎全为全氟磺酸膜，广泛应用的是美国Dupont公司生产的Nafion系列膜。
在全氟磺酸膜中，磺酸根是固定离子，它与质子结合形成的磺酸基团既可提供反离子，又能吸引水分子。
氟原子具有强的电负性，使磺酸基具有强酸性，其强度与硫酸相当，因此膜中的磺酸基团处于完全解离状态，具有较好的质子导电性。
全氟磺酸膜的电导率强烈地依赖于含水量，全氟磺酸膜在含水量较低或温度较高（>100℃）又无水补充的情况下，电导率会明显下降[1]，很多研究者通过掺杂氧化硅等无机物来提高全氟磺酸膜在高温下的性能[2]。
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质子交换膜燃料电池控制策略研究
质子交换膜燃料电池与其他种类电池的差别就是，质子交换膜燃料电池的出现以使用清洁、对环境无污染、效率高为特点，是一种很有价值的发明，就我国目前的情况来看，质子交换膜燃料电池在我国的各个领域中已经被接纳。
在进行研究质子交换膜燃料电池的最终目的就是为了让质子交换膜燃料电池的效率更高而且更加的稳定。
这就需要对质子交换膜燃料电池的性质进行研究，让质子交换膜燃料电池的特性可以控制。
在本文中进行了质子交换膜燃料电池自身特点以及质子交换膜燃料电池的分类的介绍，也简述了质子交换膜燃料电池电池控制策略。
标签：燃料电池;质子交换膜;策略与研究
随着世界经济的共同发展，在发展中已经产生了对环境的严重的破坏，这就让全世界开始共同对环境的保护、资源的高效率的利用进行了研究。
而可持续发展与绿色环保节能减排也已经成为了当下的主流话题。
这就让经济的发展在向可持续发展的方向进行着，在我国虽然已经逐渐开始了可再生能源与清洁能源的使用，但这种改变对于我国对石油、煤矿、天然气等不可再生能源的使用情况并没有做出多大的改善，虽然我国的资源丰富但由于人口众多，但由于人均的资源量很少，针对于现在的不可再生能源的使用速度，到本世纪末这些不可再生能源就会逐渐地面临枯竭的现象。
而燃料电池的发电技术的出现，由于其优越的自身特性，让其可以成为我国改变现状的方式之一。
一、燃料电池特点
随着科技的逐渐发展，出现了与化学电池不同工作原理的燃料电池。
燃料电池的出现后产生了很大的影响，原因就是燃料电池的燃料与电能的转化效率是极其优秀的，对于能量之间的相互转换损失很小。
而且还能对自身产生的热量进行二次的利用，当开始电能的转化时，对于环境的污染几乎没有，也不会产生大量的垃圾，在整个生产的过程中水是唯一的产物。
在燃料电池开始运行时，对于电能的输出很好，而且燃料电池在运行的过程中只有很小的声音，本身可以长久的使用，稳定性极佳。
在燃料电池运行的过程中，内部没有机械构件，只有水与其他在转化。
燃料电池的构造很简单，出现问题时维修方便，而且燃料电池的组装分很多的模块，在进行安装时方便。
燃料电池的主要燃料就是氢气，氢气的价格便宜，而且氢气的来源广泛，可以在短时间内收集燃料。
燃料电池对于环境可以迅速的适应，而且燃料电池的功率大、对于工作性能可以快速的适应，周围的环境就算有水存在也不会有很大的影响。
二、研究现状与存在问题
对于燃料电池的燃料氢气而言，氢气的本身可以当作能源使用。
燃料电池在使用的途径上有便携式的能源、小型移动电源、车载电源等，可以在教学、汽车、科研、计算机等多种的领域进行应用，还可以充当紧急电源，而且在特殊的情况
下提供高质量并且稳定的电源。
燃料电池还可以作为交通工具的动力源，让交通工具在行进时产生较少的污染，在交通工具中燃料电池的工作温度低，对于交通工具有很快的启动速度。
由于燃料电池自身的优越性，就让汽车的功率不低，这也让燃料电池作为交通工具的动力源头的合理性十分优越，也让燃料电池本身的价值得到提升。
燃料电池还可以作为分散型电站，可以对一些用电量较小的区域进行供电，这种独特的供电方式可以让许多的电线得到省略，而且这种方式对于供电来说变得更加的灵活，可以让燃料的利用程度得到很大的提升。
对于燃料电池的发展来说，燃料电池的发展还处于起步的阶段，将燃料电池融入到商业中还需要一段时间的实验。
燃料电池当下最主要的问题就是对于燃料电池的续航问题，随着科研人员的不断的努力，让燃料电池的使用时间得到了保障，但燃料电池的稳定程度还处于非理想的状态。
在燃料电池的研究课题中最为关心的就是对于氢气的制取。
当下我国的氢气来源有天然氢气与物理化学反应制取氢气。
在水中存在着大量的氢原子，如果使用太阳能进行氢气的制取，而氢气就是水热分解的产物。
但用太阳能直接对水进行分解效率慢，这也是燃料电池发展得阻碍之一。
三、电池的控制策略
随着能源危机的到来也让研究的速度得到了提升，燃料电池的输出电压功率的有效控制就是当下研究的重点。
质子交换膜燃料电池由质子交换膜、电极与电催化剂等主要部件构成。
质子交换膜是以全氟磺酸型固体聚合物为材料的一种电解质电催化剂，一般由扩散层和催化层组成，电极扩散层一般由碳纸或碳布制作，是电池体系的组成部分—电解质，也是电化学反应器隔膜。
由于铂的价格昂贵，采用铂系催化剂，使得燃料电池的广泛应用受到限制，因此寻求以外价格较低的电催化剂是电催化剂研究的一个重要内容。
某些催化剂缺乏足够的稳定性，但在聚合物电解质中可能是稳定的。
在对输出电压进行控制研究时，研究者通过调节阴极、阳极流量来达到控制输出电压的目的。
阴极输入为氧气，而在实际应用中，为了降低成本，一般用空气代替氧气作为阴极输入。
需要设定氢气流量与氧气流量比为5-1。
这样控制器输出可以同时调节阴极、阳极流量。
而当输入为氢气和空气时，由于空气在反应过程中会存在不充分现象，反应过程中必须加入过量的空气以保证反应充分进行。
四、结束语
再进行研究时需要设定模型，对质子交换膜燃料电池的工作特性进行讨论。
本文建立的讨论只是针对电池电压，而在实际应用中，水热平衡等方面的研究也非常重要。
在本研究中，将电池内部看成是一个恒温系统，在实际工作中，水热传递等其他过程會改变系统温度，如果能建立关于水热平衡方面等传热方面的模型，对电池输出特性的研究将更加准确。
参考文献：
[1]刘剑.氢燃料电池增程式混合动力系统概念设计[J].客车技术与研究，2019
（03）
[2]徐淼.氢燃料电池汽车控制策略浅析[J].汽车文摘，2019（06）。