质子交换膜燃料电池的工作原理
简述质子交换膜的功用
简述质子交换膜的功用
质子交换膜（PEM）是一种重要的电化学膜，在燃料电池和电解水等能源转换技术中扮演着重要的角色。
它的主要功用是实现质子的选择性传输，并将氧气和氢气分开。
首先，质子交换膜在燃料电池中起到了质子传输的关键作用。
燃料电池使用化学反应将化学能转化为电能，而这个过程需要通过质子传输来实现。
质子交换膜能够选择性地允许质子通过，而阻止电子的流动。
这样，它能够将质子从氢气侧传输到氧气侧，从而驱动电子流动，产生电能。
其次，质子交换膜也能够实现氧气和氢气的分离。
在燃料电池中，氧气和氢气是通过气体通道分开的，质子交换膜位于氧气和氢气之间。
这样，质子能够通过膜而气体不能，从而实现氧气和氢气的有效隔离，防止反应产生的氢气和氧气发生混合，避免可能的爆炸隐患。
此外，质子交换膜还具有高温、低湿度下的稳定性和导电性。
燃料电池需要在高温下工作，质子交换膜能够在高温环境下保持结构稳定性和质子传输效率。
同时，质子交换膜具有较好的湿润性能，能够快速吸收和传导水分子，保持膜的导电性能。
总之，质子交换膜在燃料电池和电解水等能源转换技术中具有重要的功用。
它不仅实现了质子的选择性传输，驱动电子流动产生电能，还能够有效分离氧气和氢气，防止混合反应发生。
此外，质子交换膜还具有高温、低湿度下的稳定性和导电性，为燃料电池的可靠性和效率提供了保障。
燃料电池用质子交换膜简介
燃料电池用质子交换膜综述1.1 概述世界范围内的能源短缺问题越来越严重。
对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重。
然而，绝大多数能量的转化是热机过程实现的，转化效率低。
在过去30年里，化石燃料减少，清洁能源需求增多。
寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。
因此，针对上述传统能源引来的诸多问题，提高能源的转换效率和寻求清洁新能源的研究获得越来越广泛的。
燃料电池(Fuel cell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能[1, 2]。
而且，不受地域以及地理条件的限制。
近年来，燃料电池得到了长足的发展，并且在不同的领域已得到了实际的应用。
1.2 燃料电池燃料电池不受卡诺循环的限制，理论能量转化率高(在200°C以下，效率可达80％)，实际使用效率则是普通内燃机的2~3倍，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质[3]，环境友好。
因此，燃料电池具有广阔的应用前景。
下面从组成、分类和特点3个方面具体介绍一下燃料电池：1.2.1 燃料电池的组成燃料电池本质上是水电解的一个逆装置。
在燃料电池中，氢和氧通过化学反应生成水，并放出电能。
燃料电池基本结构主要由阳极、阴极和电解质3部分组成。
通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，加速电极上的电化学反应。
两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等五大类型。
以H2/O2燃料电池为例(图1-1)：H2进入燃料电池的阳极部分，阳极上的铂层将氢气转化成质子和电子。
中间的电解质仅允许质子通过到达燃料电池的阴极部分。
电子则通过外线路流向阴极形成电流。
氧气进入燃料电池的阴极和质子，电子相结合生成水[4]。
图1.1燃料电池工作示意图1.2.2燃料电池的分类通常燃料电池根据所用电解质的不同来划分，因为它决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。
燃料电池按电解质的不同可分为五类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。
质子交换膜燃料电池
船舶领域的应用
燃料电池船舶
质子交换膜燃料电池可以应用于船舶 领域，为船舶提供清洁、高效的能源 。这种技术有助于减少船舶对传统燃 油的依赖，降低排放对环境的影响。
混合动力船舶
在混合动力船舶中，燃料电池可以与 柴油机等传统动力源相结合域的应用
备用电力设施
无人机领域的应用
无人机电力推进
质子交换膜燃料电池可以为无人机提供持久的电力供应，实现长航时、高效率的 飞行。这种技术有助于无人机在军事侦察、环境监测、物流运输等领域的应用。
无人机通信中继
利用燃料电池供电的无人机可以作为通信中继平台，为地面通信设备提供稳定的 通信链路，尤其在偏远地区和应急通信场景中具有重要应用价值。
材料研究
质子交换膜燃料电池的核心材料是质 子交换膜，其性能对电池性能有着至 关重要的影响。未来质子交换膜材料 的研究将更加注重提高质子传导率、 降低膜电阻、提高稳定性等方面，以 提升电池的效率和寿命。
催化剂研究
催化剂是质子交换膜燃料电池中的重 要组成部分，其性能直接影响电池的 效率和稳定性。未来催化剂的研究将 更加注重提高催化活性、降低贵金属 使用量、提高稳定性等方面，以降低 成本和提高电池性能。
电解质
01
电解质是燃料电池中传递离子的介质，通常为液态或
固态。
02
在质子交换膜燃料电池中，电解质起着传递质子的作
用，使电子在外部电路中流动，产生电流。
03
电解质需要具有良好的离子传导性能和稳定性，以确
保电池性能和寿命。
催化剂
01 催化剂是加速电极反应的物质，通常为金属或金 属合金。
02 在质子交换膜燃料电池中，阳极和阴极上都使用 了催化剂，以加速燃料和氧气的反应速度。
质子交换膜原理
质子交换膜原理质子交换膜通常由质子传导层、电子传导层和气体阻隔层组成。
其中，质子传导层是最关键的部分，它能够让质子通过，但阻止氢气和氧气的混合，从而避免燃料电池的爆炸。
而电子传导层则负责将电子从阴极传输到阳极，完成电流的闭合。
气体阻隔层则起到隔离氢气和氧气的作用，确保燃料电池的安全运行。
在燃料电池工作过程中，氢气在阳极被催化剂分解成质子和电子，质子穿过质子传导层到达阴极，而电子则通过外部电路流回到阴极。
在阴极，氧气与质子和电子结合生成水，这个过程释放出能量，从而产生电能。
质子传导层的作用在于让质子快速传输，而阻止氢气和氧气的直接接触，从而确保燃料电池的安全运行。
质子交换膜的原理可以用一个简单的比喻来解释。
可以把质子传导层想象成一张过滤纸，它能够让水分子通过，但阻止杂质和大颗粒物质的通过。
在燃料电池中，质子传导层起到的作用与过滤纸类似，它只允许质子通过，而阻止其他气体的通过，从而保证了燃料电池的正常运行。
除了质子交换膜的结构和工作原理，其在燃料电池中的应用也是非常重要的。
质子交换膜燃料电池广泛应用于汽车、船舶、航空航天等领域，其高能量密度和零排放的特点使其成为清洁能源的重要代表。
同时，质子交换膜燃料电池还可以作为独立的能源发电设备，为偏远地区或应急情况提供可靠的电能支持。
总的来说，质子交换膜燃料电池作为一种清洁高效的能源转换设备，其原理和应用具有重要的意义。
通过了解质子交换膜的结构和工作原理，可以更好地理解燃料电池的工作过程，从而推动燃料电池技术的发展，促进清洁能源的应用和推广。
希望本文的介绍能够帮助大家更好地了解质子交换膜原理，从而为清洁能源领域的发展做出贡献。
质子交换膜燃料电池的工作原理
质子交换膜燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）是一种高效、清洁的能源转换装置，其工作原理基于氢气和氧气之间的氧化还原反应，将化学能转化为电能。
本文将从以下几个方面详细介绍质子交换膜燃料电池的工作原理：1.燃料供应质子交换膜燃料电池的燃料供应通常为氢气，氢气通过外部管道或压力容器进入燃料电池的阳极（也称为燃料电极）。
在阳极，氢气被催化剂分解为带正电的氢离子（质子）和带负电的电子。
这个过程被称为电离或解离。
2.氧化反应在质子交换膜燃料电池中，氧气的氧化反应在阴极（也称为空气电极）上进行。
阴极上的氧气与阳极通过质子交换膜传递过来的氢离子结合，生成水。
同时，电子从阳极通过外部电路流向阴极，形成电流。
3.质子转移质子是氢原子核，带正电荷。
在质子交换膜燃料电池中，氢离子通过质子交换膜从阳极转移到阴极。
这个过程是借助于质子交换膜中的水分子进行的。
4.阴极反应在阴极，氧气与氢离子结合生成水，同时电子从阳极通过外部电路流向阴极。
这个过程中，电子和氢离子分别在阴极和阳极上形成电流。
5.电流生成当电子和氢离子在阳极和阴极上形成电流时，就会在外电路中产生电压和电流。
这个电压和电流可以用来驱动电动机或其他电子设备。
质子交换膜燃料电池的输出电压通常为1伏特左右，输出电流取决于负载电阻的大小。
6.废热排放质子交换膜燃料电池的废热排放主要来自于氧化反应和质子转移过程中产生的热量。
这些热量可以通过冷却系统进行回收利用，或者以热水的形式排放到环境中。
PEMFC——燃料电池课件.
由图可知，构成 PEMFC 的关键材料与部件 为电催化剂、电极 ( 阴极与阳极 ) 、质子交换 膜和双极板。
PEMFC 中的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电 池。阳极催化层中的氢气在催化剂作用下发生电极反 应: 阳极反应： H 2 2H 2e 该电极反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则 经质子交换膜到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极 发生反应生成水。生成的水不稀释电解质，而是通过 电极随反应尾气排出。
2.电池组： 电池组的主体为MEA，双极板及相应 可兼作电流导出 板，为电池组的正极；另一端为阳单极板，也可兼作 电流导入板，为电池组的负极，与这两块导流板相邻 的是电池组端板，也称为夹板。在它上面除布有反应 气与冷却液进出通道外，周围还布置有一定数目的圆 孔，在组装电池时，圆孔内穿入螺杆，给电池组施加 一定的组装力。 若两块端板用金属(如不锈钢、铁板、超硬铝等)制作， 还需在导流板与端板之间加入由工程塑料制备的绝缘 板。
质子交换膜燃料电池
1 工作原理
质 子 交 换 膜 型 燃 料 电 池 (Proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)以全氟磺酸型固体 聚合物为电解质，铂 / 炭或铂 - 钌 / 炭为电催化剂， 氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂， 带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为 双极板。 下图为PEMFC的工作原理示意图。
流场结够对 PEMFC 电池组至关重要，而且与反应 气纯度、电池系统的流程密切相关。 因此，在设计电池组结构时，需根据具体条件，如 反应气纯度、流程设计（如有无尾气回流，如有， 回流比是多少等）进行化工设计，各项参数均要达 到设计要求，并经单电池实验验证可行后方可确定。
电池组密封： 要求是按照设计的密封结构，在电池组组装力的 作用下，达到反应气、冷却液不外漏，燃料、氧 化剂和冷却液不互窜。
质子交换膜燃料电池PPT课件
05
PEMFC性能评价与测试方 法
PEMFC性能评价指标
输出功率密度
单位面积或单位体积电池的输出 功率，反映电池的能量转换效率
。
开路电压
电池在开路状态下的电压，与电 池内部的电化学反应有关。
电流密度
单位面积电池的输出电流，影响 电池的输出功率和效率。
温度特性
电池在不同温度下的性能表现， 包括启动、运行和关机过程中的 温度变化对电池性能的影响。
笔记本电脑、手机等
PEMFC应用领域及前景
固定式电源
家庭、数据中心等
降低成本
通过研发新材料和工艺，降低 PEMFC成本
PEMFC应用领域及前景
固定式电源
家庭、数据中心等
降低成本
通过研发新材料和工艺，降低 PEMFC成本
PEMFC应用领域及前景
提高耐久性
改进电池结构和材料，提高电池寿命 和稳定性
燃料电池类型及特点
碱性燃料电池（AFC）
采用氢氧化钾溶液作为电解质，具有高效率、低污染等优点，但需要纯净的氢气和 氧气作为燃料和氧化剂，且对二氧化碳敏感。
燃料电池类型及特点
碱性燃料电池（AFC）
采用氢氧化钾溶液作为电解质，具有高效率、低污染等优点，但需要纯净的氢气和 氧气作为燃料和氧化剂，且对二氧化碳敏感。
01
燃料电池概述
01
燃料电池概述
燃料电池定义与原理
燃料电池定义
燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆过程，通过向燃 料电池堆输入氢气和氧气（或空气），在催化剂的作用下，经过电化学反应生成水并对外输出电能。
燃料电池工作原理
燃料电池的核心部件是质子交换膜，它只允许质子通过而阻止电子和气体通过。在阳极，氢气在催化剂的作用下 分解成质子和电子，质子通过质子交换膜传递到阴极，而电子则通过外电路传递到阴极，形成电流。在阴极，氧 气与质子和电子结合生成水。
质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池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。
两电极的反应分别为：阳极(负极)：2H2-4e=4H+阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O注意所有的电子e都省略了负号上标。
由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。
当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。
以阳极为参考时，阴极电位为 1.23V。
也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。
接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V 之间。
将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。
电堆构成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。
电堆核心电堆的核心是MEA组件和双极板。
MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt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。