质子交换膜燃料电池的性能
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是一种新型的可再生能源，也是目前最先进的可再生能源之一。
它与传统的燃料电池不同，它使用质子交换膜（PEM）作为电解质膜，以及钠和水作为电解液。
在此类燃料电池中，氢气单独通过一侧的膜，而氧气通过另一侧的膜，当两种气体流经对应的膜时，他们会发生反应，释放出能量，并使电子流穿过质子交换膜到达另一端，带动动力装置，产生电能。
质子交换膜燃料电池具有以下特点：
1.高效率：质子交换膜燃料电池具有高能量密度，可以达到50%-70%的效率，比传统的化学发电方式更有效；
2.环保：质子交换膜燃料电池只产生少量的温室气体，因此是一种绿色、环保的可再生能源；
3.安全性：质子交换膜燃料电池没有易燃易爆的材料，因此具有很高的安全性；
4.可靠性：质子交换膜燃料电池的使用寿命长，可以长达10000小时，比传统发电技术更可靠。
质子交换膜燃料电池原理及其应用
质子交换膜燃料电池原理及其应用一、质子交换膜燃料电池原理1.氢气通道：氢气从阴极（负极）流入燃料电池，经过质子交换膜进入阳极（正极）。
2.氧气通道：氧气从阳极的气体通道进入阳极，与氢气发生反应生成水。
3.电子通道：质子交换膜只能允许质子通过，而不能传导电子。
因此，氢气中的电子通过外部电路流入阳极，与氧气发生氧化还原反应，产生电流。
4.燃料供应：燃料电池中常用的燃料是氢气，可以通过电解水或者化石燃料简化系统的供氢方式。
1.高效性：质子交换膜燃料电池具有高效率的能量转化能力，可以将氢气直接转化为电能，能量利用效率高达40%-60%。
2.清洁性：质子交换膜燃料电池的反应产物只有水，不产生任何污染物。
3.快速启动：质子交换膜燃料电池可以在数秒内达到额定功率输出，启动快速。
二、质子交换膜燃料电池的应用1.交通运输：质子交换膜燃料电池可以广泛应用于电动汽车、卡车和公交车等交通工具。
与传统的燃料发动机相比，燃料电池具有更高的能源转化效率和更少的环境污染。
2.能源储备：质子交换膜燃料电池可以作为能源储备设备应用于微型电网、家庭能源系统和太阳能/风能电力系统。
通过将电能转化为氢气存储，可以实现能源的高效利用和持续供应。
3.便携式设备：质子交换膜燃料电池可以应用于便携式设备，如手机、笔记本电脑和摄像机等。
相比于传统的锂电池，燃料电池具有更长的续航时间和更短的充电时间，可以满足现代社会对便携式设备的高能量需求。
4.航空航天：质子交换膜燃料电池也在航空航天领域得到了广泛应用。
由于航空航天领域对能源密度和轻量化的要求较高，燃料电池作为一种高效、清洁的能源转化设备，为航空航天提供了理想的能源解决方案。
总结：质子交换膜燃料电池是一种高效、清洁的能源转换设备，其工作原理是通过催化剂将氢气氧化为水并产生电能。
质子交换膜燃料电池具有高效性、清洁性和快速启动等特点。
其应用领域包括交通运输、能源储备、便携式设备和航空航天等。
随着清洁能源的需求不断增加，质子交换膜燃料电池有着广阔的发展前景。
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。
质子膜燃料电池
质子膜燃料电池
质子膜燃料电池是一种现代便携式能源，也称为PEM（质子交换膜）燃料电池，也是
一种可再生能源。
质子膜燃料电池是由质子交换膜（PEM），电解液膜（ELM），加上催化
剂构成的有机电池，它将液体燃料，如39氢气（H2）和12氧（O2）二氧化碳（CO2）等，转换成电能。
质子交换膜燃料电池的特点：首先它可以单独运行，也可以与其他电池联接；其次，PEM燃料电池的结构简单，噪音小，可以操作的高温范围广，也可以节省空间；同时它可
以快速充电，响应时间快，自放电量小，而且运行效率很高，温度敏感度小，具有非常稳
定的输出性能，该电池的可用性非常高。
质子膜燃料电池技术在很多领域都有应用。
它可以用于电子设备，如现代的便携电脑、微型飞机、水下机器人、网络设备或通信设备等；它也可以用于太阳能电池板和太阳能马
达车，以及太阳能电池热水器等；它还可以应用于医疗科学，如除去人体中毒素、改善血
行功能、电动椅子等。
质子膜燃料电池具有以上优点，因此它得到了越来越多应用，今后可期待它越来越多
地运用在拥有健康、环保、人性化等方面。
质子膜燃料电池不仅能够减少碳排放，还能有
效的改善能源的利用效率，节约能源，保护环境，使得大家的日常生活更加舒缓和便利。
氢燃料电池质子交换膜
氢燃料电池质子交换膜
氢燃料电池中的质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）是电池的关键组件之一。
质子交换膜作为电池的电解质，主要用于将氢气的质子与氧气的电子分开，并允许质子在电极之间传递。
质子交换膜通常由质子导电的聚合物材料制成，最常用的质子交换膜材料是聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）改性的聚合物膜。
这种膜具有良好的质子导电性能、较高的化学稳定性和耐高温性。
质子交换膜需要具备以下特点：
1. 良好的质子传导性能：质子交换膜应具有高的质子传导率，能够有效地将氢气的质子从负极传输到正极。
2. 优异的物理和化学稳定性：质子交换膜在氢氧电池工作环境中需要具备较高的耐酸碱性、耐高温和耐气体腐蚀性能，以确保电池的长期稳定运行。
3. 低阻抗：质子交换膜应尽可能降低电池的内阻，以提高电池的功率输出能力。
4. 兼容性：质子交换膜应与其他电池组件（电极、催化剂等）相容，以实现良好的电池性能和长寿命。
质子交换膜作为氢燃料电池的关键技术之一，其性能的提升可以显著改善电池的效率、寿命和可靠性，并推动氢能技术在可持续能源领域的应用。
燃料电池质子交换膜材料
燃料电池质子交换膜材料燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，其中质子交换膜材料是燃料电池的重要组成部分之一。
质子交换膜（Proton Exchange Membrane，简称PEM）是燃料电池中用于分隔阳极和阴极的膜材料，它具有良好的质子传导性能和较高的化学稳定性，是实现燃料电池高效工作的关键。
质子交换膜材料主要包括有机膜和无机膜两类。
有机膜主要是指聚合物质子交换膜，常用的有氟化聚合物质子交换膜（例如聚四氟乙烯基质的氟磺酸树脂膜）和磺酸树脂质子交换膜（例如聚苯乙烯基质的磺酸树脂膜）。
无机膜则主要是指氧化物质子交换膜，常用的有磷酸盐质子交换膜和磷酸盐掺杂氧化物质子交换膜。
有机膜质子交换膜具有很高的质子传导性能和较好的化学稳定性，但在高温和低湿条件下容易失水而导致性能下降。
而无机膜质子交换膜则具有较好的耐高温和低湿性能，但质子传导性能较有机膜较差。
因此，在应用中需要根据具体的工作条件选择合适的质子交换膜材料。
质子交换膜材料的性能取决于其结构和成分。
一般来说，质子交换膜材料的结构应具有一定的亲水性，以促进质子的传导。
同时，膜材料的成分应具有较高的质子传导性和化学稳定性，以确保燃料电池的长期稳定运行。
在燃料电池中，质子交换膜材料的主要功能是分隔阳极和阴极，同时允许质子通过而阻止电子的通过。
这样可以保证氢气在阳极被氧化产生质子，并通过质子交换膜传递到阴极，与氧气发生还原反应生成水。
质子交换膜材料的良好性能可以提高燃料电池的效率和稳定性。
除了质子传导性能和化学稳定性外，质子交换膜材料还应具有较好的机械强度和导电性能。
机械强度可以保证质子交换膜在燃料电池中的稳定性和耐久性，而导电性能则可以提高电池的性能和输出功率。
研究人员正在不断探索新型的质子交换膜材料，以提高燃料电池的性能和降低成本。
例如，近年来有机-无机杂化质子交换膜材料受到广泛关注。
这种材料可以兼具有机膜和无机膜的优点，具有较好的质子传导性能和耐高温性能。
自呼吸式质子交换膜燃料电池
自呼吸式质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池，是一种新型的绿色能源技术，被广泛认为是未来能源领域的重要发展方向之一。
自呼吸式质子交换膜燃料电池作为其中的一种，具有自给自足的优点，被视为下一代燃料电池技术的重要发展方向。
自呼吸式质子交换膜燃料电池的工作原理十分简单，是将氢气和氧气在质子交换膜中进行反应，从而产生电能。
与传统的燃料电池不同，自呼吸式的设计能够实现氧气无需外部供应的自给自足，提高了能量转化效率，同时也提高了系统稳定性和运行寿命。
该技术的应用范围十分广泛，包括交通运输、电力、军事、医疗等领域。
例如在交通运输领域，自呼吸式质子交换膜燃料电池可以被应用于电动汽车、无人机等领域，提高了整个领域的能量利用效率和环保性能。
然而，自呼吸式质子交换膜燃料电池技术还面临着许多挑战。
例如，由于燃料电池反应速率较慢，导致能源转化效率低并且需要大型的储氢设备。
此外，由于燃料电池中使用的燃料是氢气，而氢气的储存、加注以及运输等方面面临着安全和技术难题。
为了解决这些问题，有必要进一步推动自呼吸式质子交换膜燃料电池
技术的发展。
一方面，需要加强相关技术研发，提高燃料电池的稳定
性和效率，推动实现小型化、轻量化和高效化的目标。
另一方面，需
要加强相关政策和法规的制定和实施，促进氢气基础设施和市场建设，提高氢气技术的普及率和接受度。
总之，自呼吸式质子交换膜燃料电池技术是未来绿色能源领域的重要
发展方向之一，具有广泛的应用前景。
尽管目前面临着一些技术和政
策上的挑战，但只要持续加强研发和制定相关政策，相信自呼吸式质
子交换膜燃料电池技术一定会在未来实现更加广泛的应用和推广。
质子交换膜燃料电池分类
质子交换膜燃料电池分类质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种新型的燃料电池，具有高效、环保、节能等优点，被广泛应用于汽车、船舶、航空航天等领域。
根据其使用的燃料和氧化剂，PEMFC可以分为多种类型。
本文将介绍常见的PEMFC分类及其特点。
1. 氢气-氧气PEMFC氢气-氧气PEMFC是最常见的PEMFC类型，它使用氢气作为燃料，氧气作为氧化剂。
在质子交换膜中，氢气被氧化成水，同时产生电子和质子。
电子从阳极流出，经过外部电路产生电能，质子则通过质子交换膜流向阴极，在与氧气反应时产生水。
氢气-氧气PEMFC具有高效、环保、能量密度高等优点，但氢气储存和输送成本较高，限制了其应用范围。
2. 氢气-空气PEMFC氢气-空气PEMFC使用空气作为氧化剂，无需储存和输送氧气，降低了成本和安全风险。
但由于空气中含有大量氮气，氧化剂的含氧量较低，影响了PEMFC的性能。
为解决这一问题，研究人员开发了一种氧化剂循环系统，将空气中的氧气分离出来，提高了氧化剂的含氧量。
3. 甲醇-氧气PEMFC甲醇-氧气PEMFC使用甲醇作为燃料，氧气作为氧化剂。
在阳极上，甲醇被氧化成二氧化碳和水，同时产生电子和质子。
电子从阳极流出，经过外部电路产生电能，质子则通过质子交换膜流向阴极，在与氧气反应时产生水。
甲醇-氧气PEMFC具有简单、便携、易于储存等优点，但甲醇的能量密度较低，需要大量储存和输送，同时产生二氧化碳等有害物质，影响环境。
4. 氨气-氧气PEMFC氨气-氧气PEMFC使用氨气作为燃料，氧气作为氧化剂。
在阳极上，氨气被氧化成氮气和水，同时产生电子和质子。
电子从阳极流出，经过外部电路产生电能，质子则通过质子交换膜流向阴极，在与氧气反应时产生水。
氨气-氧气PEMFC具有储存和输送成本低、安全性高等优点，但氨气的毒性较大，需要注意安全问题。
5. 烷基燃料-氧气PEMFC烷基燃料-氧气PEMFC使用烷基燃料（如丙烷、丁烷）作为燃料，氧气作为氧化剂。
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质子交换膜燃料电池的性能
【陆地方舟电动汽车网】影响PEMFC工作性能的因素主要来自三个方面：一是电堆的技术状况；二是燃料电池的工作条件；三是整个燃料电池系统的水管理和热管理。
与电堆本身相关的影响PEMFC工作性能的因素有：膜电极的结构、制备方式和条件：质子交换膜的类型、厚度、预处理情况、传导质子的能力、机械强度、化学和热稳定性能：催化剂的含量和制备方法；双极板的结构和流场设计等。
与燃料电池的工作条件相关的，影响PEMFC工作性能的因素有电流密度、工作电压、反应气体压力、工作温度、气体组成等。
质子交换膜燃料电池因采用较薄的固体聚合物膜作电解质而具有非常好的放电性能，通过优化反应气体压力、工作温度和气体组成等条件，可以使质子交换膜燃料电池的性能维持在较高的水平。
①电流密度、工作电压和功率特性图1是1kW PEMFC电堆的电压、电流和功率特性。
从图中可见，当电流增大，即电流密度增大时，工作电压随之下降，而功率增大。
当电流增至100A时，相当于电流密度为500mA／cm2，达到设计的最高功率1.2kW，等同功率密度0.3W／cm2。
而燃料电池的效率主要与工作电压有关，当燃料电池工作电压高时，能量效率高，由以上分析可知此时功率却低。
因此，设计的燃料电池既想获得最高效率又想获得最大功率只是一种“理想”，只能通过对电堆进行最优化设计，达到在一定的电流密度下获得较高的工作电压，既得到较高功率又得到较高能量效率。
一般来说，燃料电池的设计是依据最终的应用要求来决定是获得高功率还是获得高效率。
例如，燃料电池电动汽车用的PEMFC，要求高功率密度和低成本，这只有在大电流密度下工作才能实现，而此时工作电压必然下降，能量效率就要低些；而对于地面固定发电站，要求高的能量效率和长寿命，这只有在高工作电压下才能实现，而此时电流密度必然降低，功率就要有所下降。
图1 1kW PEMFC电堆的电压、电流和功率特性
H2／空气的压力为0.3MPa/0.3MPa；
H2／空气的压力为0.1MPa/0.1MPa
②反应气体工作压力的影响质子交换膜燃料电池的工作性能与反应气体的体积分数有关，而体积分数又与气体压力有关。
工作气体压力的提高能够增加质子交换膜燃料电池的电动势，还会降低质子交换膜燃料电池的电化学极化和浓度极化。
不过反应气体压力的提高也会增加PEMFC系统的能耗。
但总而言之气体压力越高，燃料电池性能越好，尤其是阴极的反应物，即氧气或空气的压力对电池性能的影响更大。
正如图1所示的那样，当H2／空气的压力为0.3MPa/0.3MPa时的性能就优于H2／空气的压力为0.1MPa/0.1MPa的。
同时为
了减少氢气和氧气通过交换膜相互扩散，避免氢氧混合物引起危险，又应尽可能减少膜两侧的压力差。
③工作温度特性工作温度对质子交换膜燃料电池性能有明显影响（PEMFC的温度特性主要与质子交换膜有关。
温度升高，质子交换膜传质和电化学反应速度随之提高，电解质的欧姆电阻下降，温度升高还有利于缓解催化剂中毒问题。
但是温度过高，会造成质子交换膜脱水导致质子电导率降低，质子交换膜的稳定性也会降低，可能发生分解。
并且，PEMFC 的工作温度还是受限制的。
为保证质子交换膜具有良好的质子传导性，保持其适当的湿润条件是必需的，所以反应生成的水应尽量为液态水。
受此限制，在常压下PEMFC的工作温度不能高于80℃，在0.4～0.5MPa压力下不能超过102℃。
工作温度对燃料电池性能的影响如图2所示，电压-电流密度曲线线性区斜率绝对值随着温度的升高而降低，这说明电池内阻减小，此时在相同的电流密度下，工作电压升高，燃料电池的功率增大，效率也有所提高。
这主要是因为在限定温度范围内，工作温度高，会加快反应气体向催化剂层扩散，质子从阳极向阴极的运动也会加快，这些都积极地促进了电池性能的提高。
图2 PEMFC的温度特性
【陆地方舟电动汽车网】④反应气体中杂质的影响反应气体中的杂质也是影响质子交换膜燃料电池性能的重要因素。
燃料气体中的杂质主要有CO、C02、N2等。
燃料的重整气中通常都会含有少量的C0，CO对质子交换膜燃料电池的阳极催化剂有严重毒化作用图3表达了CO含量对燃料电池性能的影响。
因此，为确保质子交换膜燃料电池的稳定运行，要通过各种净化方式降低燃料气中的CO含量。
表1表达了燃料气体中其他杂质对燃料电池性能的影响。
从表中可以看出当C02的含量高时对燃料电池性能影响很大。
这主要是因为吸附在阳极催化剂Pt上的H2和C02相互作用引起CO中毒所致。
图3 CO含量对燃料电池性能的影响
表1 其他杂质对燃料电池性能的影响（电流密度1000mA／cm2）
⑤纯02和空气对燃料电池性能的影响分别用纯02和空气作为氧化剂时，燃料电池的性能表现也是不一样的。
图2还表达了用纯02和空气作为氧化剂时燃料电池的电压-电流曲线。
从图中可以看出，用空气作为氧化剂时，燃料电池的性能大幅下降，并在低电流密度时出现电压-电流线性区的偏离，这种偏离主要是因为“氮障碍层效应”和空气中氧分压较低造成的。