PEMFC——燃料电池课件
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PEMFC燃料电池课件
PEMFC燃料电池课件一、PEMFC燃料电池的原理2H2+O2->2H2O在此反应中，氢气在阳极电极上发生氧化反应，产生质子和电子。
质子穿过质子交换膜，电子则通过外电路流动，完成工作电流的输出。
在阴极电极上，质子和电子再次结合与氧气发生还原反应，生成水。
二、PEMFC燃料电池的构造1.阳极：阳极是PEMFC燃料电池中氢气（或其他可燃气体）的反应电极。
通常使用铂或其他催化剂作为氧化反应的催化剂。
2.阴极：阴极是反应电极中负责氧还原反应的电极。
通常也使用铂或其他催化剂作为氧还原反应的催化剂。
3.质子交换膜：质子交换膜是PEMFC燃料电池中的关键组件，它不仅起到分离阳极和阴极的作用，还能通过质子传递来进行电解反应。
常用的质子交换膜材料包括聚苯乙烯磺酸树脂（Nafion）等。
4.催化剂：催化剂是PEMFC燃料电池中氧化还原反应的重要组成部分，通常采用铂或其他贵金属作为催化剂。
三、PEMFC燃料电池的工作机制1.氢气供应：氢气从阳极侧输入电池，经过催化剂层和质子交换膜进入电解质层，进行氧化反应。
2.氧气供应：氧气从阴极侧输入电池，通过催化剂层和质子交换膜反应与质子结合进行还原反应。
3.质子传递：质子从阳极侧通过质子交换膜传递到阴极侧，形成了一个闭合的电子电路。
4.电子流动：电子通过外电路从阳极侧流向阴极侧，完成能量转化。
5.产生电能：在阴极侧，质子与氧气发生还原反应，产生水和释放出电能。
四、PEMFC燃料电池的应用1.移动设备：PEMFC燃料电池可以作为移动设备的电源，提供可持续的电能供应。
充电电池相比，燃料电池具有更长的工作时间和更高的能量密度。
2.汽车：PEMFC燃料电池可以替代传统燃油发动机，成为环保低排放的汽车动力系统。
其优点包括零排放、高效率、较长的续航里程等。
总结：PEMFC燃料电池是一种常见的燃料电池类型，采用质子交换膜作为电解质，以氢气和氧气的氧化还原反应来产生电能。
它的原理、构造和工作机制非常重要，适用于移动设备和汽车等众多领域。
PEMFC燃料电池课件
PEMFC燃料电池课件第一部分：介绍（200字左右）PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）燃料电池是一种基于固体聚合物电解质的电化学装置，可将氢气和氧气转化为电能和热能。
本课件将详细介绍PEMFC燃料电池的工作原理、结构组成、优缺点以及应用领域。
第二部分：工作原理（400字左右）PEMFC燃料电池的工作原理是利用电解质膜通透氢离子（质子）而不通透气体的特性，将供应给电极的氢气经催化剂（通常为白金）催化氧化成氢离子，并通过电解质膜传导到氧气电极，与通过氧气还原形成的气体结合产生水蒸气。
同时，通过电极和电解质膜之间的电流产生电能。
这一过程可以持续进行，直到氢气或氧气用尽。
第三部分：结构组成（400字左右）PEMFC燃料电池的主要部件包括：氢气电极、氧气电极、电解质膜和集流板。
氢气电极和氧气电极都覆盖着催化剂，催化剂通常是由铂组成的纳米颗粒。
电解质膜位于氢气电极和氧气电极之间，起到隔离氢气和氧气的作用。
而集流板则承担着电流分布的任务。
第四部分：优缺点（300字左右）PEMFC燃料电池的优点包括：高效能、无污染、低噪音、快速启动以及灵活性强。
它可以高效地将化学能转换为电能，且排放物只有水蒸气。
同时，PEMFC燃料电池的启动速度非常快，使其非常适合用于轻型车辆和便携设备。
然而，PEMFC燃料电池也存在一些缺点，如催化剂成本高、氢气储存和运输问题。
第五部分：应用领域（200字左右）PEMFC燃料电池被广泛应用于交通运输、电力供应和便携设备等领域。
在交通运输方面，PEMFC燃料电池被视为是替代传统燃料的一种有前景的技术，可用于驱动汽车、公交车和无人机等。
在电力供应方面，PEMFC燃料电池可以用于分布式能源系统和备用电源系统。
在便携设备方面，PEMFC燃料电池可以提供持久的电源，广泛应用于移动通信、户外活动和灾难救援等场景。
结语（100字左右）。
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。
燃料电池(课件)
得失电子数目的求算
燃料分子失电子的数目，可根据整体化合价变化情况 进行求算，也可以直接根据分子所含的原子数目进行 计算。1mol的CxHyOz失去电子的数目为4x+y－ 2z(碳四氢一氧减二)。我们可以计算，每个C₃H₈失电 子数为4×3+1×8＝20，每个C₂H₅OH分子失电子数 为4×2+1×6－2＝12。
电解质为固体电解质 （如固体氧化锆—氧 化钇）O2＋4e-=2O2-。
燃料电池负极反应式的书写
产物判断规则
一般来说，负极反应物一般为燃料，常常含有碳元素和 氢元素，有时也含有氧元素。在酸性溶液(如硫酸溶液) 下，负极燃料失电子，C元素变为+4价，转化为CO₂； H元素转化为H⁺，氧元素结合H⁺转化为水。在碱性溶 液(如氢氧化钠溶液)下，负极燃料失电子，C元素转化 为碳酸根离子，+1价的氢元素不能在碱性条件下以离 子形态稳定存在，结合OHˉ生成水，氧元素变成氢氧根 离子或者水。
谢谢
燃料电池
基础知识
燃料电池（Fuel cell），是一种不经过燃烧，将燃料化学能经过电化学反 应直接转变为电能的装置。它和其它电池中的氧化还原反应一样，都是自 发的化学反应，不会发出火焰，其化学能可以直接转化为电能，且废物排 放量很低。其中燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同
基础知识
燃料电池的两极材料都是用多孔碳、多孔镍、铂、钯等兼有催化剂特性 的惰性金属，两电极的材料相同。 燃料电池的电极是由通入气体的成分来决定。通入可燃物的一极为负极 ，可燃物在该电极上发生氧化反应；通入空气或氧气的一极为正极，氧 气在该电极上发生还原反应。
量为1mol，在标准状况下为22.4L，D错误；【答案】C
真题突破
（2019·全国高考真题）利用生物燃料电池原理研究室温下氨 的合成，电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子，示意 图如下所示。下列说法错误的是
质子交换膜燃料电池PPT课件
阴极催化剂中毒等。
改性全氟磺酸膜
增强型复合质子交换膜
聚四氟乙烯/全氟磺酸复合膜（美国Gore公司） 玻璃纤维/全氟磺酸复合膜（英国Johnson Matthery公司、武汉 理工）
高温型复合质子交换膜
杂多酸/全氟磺酸复合膜（磷钨酸、硅钨酸(STA)、磷钼酸、磷
锡酸）（加拿大蒙特利尔大学工学院、,美国普林斯顿大学）
金属板
优点：比石墨具有更好的导电及导热性， 具有极高的气体不透过性，良好的机加 工特性。
缺点：耐腐蚀性能差，表面钝化。
改进：表面处理，表面涂层（石墨粉、 氧化铅、碳化硅等）。
复合双极板
综合了纯石墨板和金属双极板的优点，具 有耐腐蚀、质量轻、强度高等特点，包括：
（1）金属基复合双极板； （2）碳基复合材料双极板。
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
38
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
CO在催化剂表面的吸附远强于氢，因此催 化剂上吸附氢的活性位会被CO所占据，从而对 氢的电氧化反应造成阻碍，实验结果表明，即使 氢气中CO的浓度低至10-5也会导致严重的阳极极 化现象，使电池的性能严重下降。
由于价格因素和储氢的困难，一般多使用重 整气制氢用于燃料电池的燃料，这些气体中大多 都含有CO。
改性全氟磺酸膜
增强型复合质子交换膜
聚四氟乙烯/全氟磺酸复合膜（美国Gore公司） 玻璃纤维/全氟磺酸复合膜（英国Johnson Matthery公司、武汉 理工）
高温型复合质子交换膜
杂多酸/全氟磺酸复合膜（磷钨酸、硅钨酸(STA)、磷钼酸、磷
锡酸）（加拿大蒙特利尔大学工学院、,美国普林斯顿大学）
金属板
优点：比石墨具有更好的导电及导热性， 具有极高的气体不透过性，良好的机加 工特性。
缺点：耐腐蚀性能差，表面钝化。
改进：表面处理，表面涂层（石墨粉、 氧化铅、碳化硅等）。
复合双极板
综合了纯石墨板和金属双极板的优点，具 有耐腐蚀、质量轻、强度高等特点，包括：
（1）金属基复合双极板； （2）碳基复合材料双极板。
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
38
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
CO在催化剂表面的吸附远强于氢，因此催 化剂上吸附氢的活性位会被CO所占据，从而对 氢的电氧化反应造成阻碍，实验结果表明，即使 氢气中CO的浓度低至10-5也会导致严重的阳极极 化现象，使电池的性能严重下降。
由于价格因素和储氢的困难，一般多使用重 整气制氢用于燃料电池的燃料，这些气体中大多 都含有CO。
PEMFC燃料电池课件
在电极上的这些反应如下： 阳极： 2H2 4H 4e 阴极： O2 4H 4e 2H2O 整体： 2H2 O2 2H2O 质子交换膜燃料电池的工作温度约为80℃。在这样的低 温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的 一层薄的白金进行催化。 每个电池能产生约0.7伏的电，足够供一个照明灯泡使用。 驱动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压， 将多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料电池存 储器。
纯氢 净化 重整气 CH3OH
氧气 空气
直接甲醇燃 料电池 (DMFC) 磷酸燃料电 池 (PAFC) 熔融碳酸盐 燃料电池 (MCFC) 固体氧化物 燃料电池 (SOFC)
室温 ~200 100~200
空气
重整气
空气
600~700
净化煤 气 重整气 天然气 净化煤 气 天然气
空气
具有建立分散电站的优势， 余热利用价值高。
PEMFC特点及研发现状
质子交换膜燃料电池工作温度低，适宜于较频繁 起动的场合，并具有起动快、功率密度高以及续 驶里程长等优点，因此它被认为是车用燃料电池 的最佳选择，有望成为取代目前汽车动力的动力 源之一。但此电池汽车的成本高、寿命短以及燃 料问题严重制约了其商业化。目前PEMFC商业化 的最大问题是成本太高。现在它的成本是 1000~2000美元/kW，也许很快电池成本会降到 200美元/kW，但为了和内燃机竞争，电池成本必 须降到50美元/kW。而要降低PEMFC的成本，必 须降低三个关键部件(即电极、电解质膜和双极板) 的成本。
适宜建区域性分散电站，正在进行现 场实验，需延长寿命，才能有竞争力， 实现商业化。 适宜建造大、中型电站、分散电站， 电池结构选择开发廉价制备技术
燃料电池简介PPT课件
13
2019/12/30
影响燃料电池性能的因素
活化过电势对燃料电池性能的影响
14
2019/12/30
如何改善动力学性能
15
2019/12/30
3.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。其电解质是由一种质子导 体聚合电解膜构成。
1.电池材料成本高； 2.需要良好的动态水管理； 3.对CO和S的容忍度很差
18
2019/12/30
4.燃料电池的应用
2017年10月12日，陆地方舟新型氢电混合燃料电池客 车在第十二届特车型， 加氢5分钟，充电12分钟，续航可达550km，该车也 是我国发布的首台8米考斯特车型氢燃料电池客车。
6
2019/12/30
1.2燃料电池的分类
7
2019/12/30
1.4燃料电池的优点
发电效率高 环境污染小 比能量高 噪音低 燃料范围广 负载调节灵活，可靠性高
8
2019/12/30
2.燃料电池反应动力学
定义：对燃料电池反应过程的研究。 目的：解释燃料电池的反应过程如何导致性能损失。
16
2019/12/30
PEMFC的结构
电解质膜非常薄 电解质膜两边是一层薄的
催化剂和多孔的碳电极支 撑材料。 形成 电极-催化剂-膜-催化 剂-电极 结构。
17
结构示意图
2019/12/30
PEMFC的优缺点
优点：
1.在所有燃料电池类型中功率密度最高； 2.有好的开关能力； 3.低温度工作环境使之适合便携式应用。 缺点：
2019/12/30
影响燃料电池性能的因素
活化过电势对燃料电池性能的影响
14
2019/12/30
如何改善动力学性能
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2019/12/30
3.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。其电解质是由一种质子导 体聚合电解膜构成。
1.电池材料成本高； 2.需要良好的动态水管理； 3.对CO和S的容忍度很差
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4.燃料电池的应用
2017年10月12日，陆地方舟新型氢电混合燃料电池客 车在第十二届特车型， 加氢5分钟，充电12分钟，续航可达550km，该车也 是我国发布的首台8米考斯特车型氢燃料电池客车。
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1.2燃料电池的分类
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1.4燃料电池的优点
发电效率高 环境污染小 比能量高 噪音低 燃料范围广 负载调节灵活，可靠性高
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2.燃料电池反应动力学
定义：对燃料电池反应过程的研究。 目的：解释燃料电池的反应过程如何导致性能损失。
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PEMFC的结构
电解质膜非常薄 电解质膜两边是一层薄的
催化剂和多孔的碳电极支 撑材料。 形成 电极-催化剂-膜-催化 剂-电极 结构。
17
结构示意图
2019/12/30
PEMFC的优缺点
优点：
1.在所有燃料电池类型中功率密度最高； 2.有好的开关能力； 3.低温度工作环境使之适合便携式应用。 缺点：
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4）PEMFC效率一般在50％左右，极化主要在氧阴 极，因此扩散层尤其是氧电极的扩散层应是热的良 导体。
5）扩散层材料与结构应能在PEMFC工作条件下保 持
扩散层的上述功能采用石墨化的炭纸或炭布是 可以达到的，但是PEMFC扩散层要同时满足 反应气与产物水的传递，并具有高的极限电流， 则是扩散层制备过程中最难的技术问题。
下图为PEMFC的工作原理示意图。
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： H2 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。
交指状流场是一种正在开发的新型流场。它的优 点是强迫反应气流经电极的扩散层强化扩散层的 传质能力，同时将扩散层内水及时排出。
但这种流场在确保反应气在电极各处的均匀分配 与控制反应气流经流场的压力降方面均需深入研 究，并与相应工艺开发相配合。
上述各种流场的脊部分靠电池组装力与电极 扩散层紧密接触，而沟部分为反应气流的通 道，一般沟槽部分面积与脊部分面积之比为 流场的开孔率。
对于PEMFC,由于膜为高分子聚合物,仅靠电池组的组 装力,不但电极与膜之间的接触不好,而且质子导体也无 法进入多孔气体电极的内部。为了实现电极的立体化， 需向多孔气体扩散电极内部加入质子导体（如全氟磺 酸树脂），同时为改善电极与膜的接触，将已加入全 氟磺酸树脂的阳极，隔膜（全氟磺酸膜）和已加入全 氟磺酸树脂的阴极压合在一起，形成了“三合一”组 件（MEA）
三. 特点与用途 除了具有FC的一般优点外，PEMFC还具有： 室温下快速启动 无电解质液流失 比功率和比能量高 寿命长。 可用于分散电站，移动电源，是电动车、移动通 讯和潜艇等的理想电源，也是最佳的家庭动力源。
四. 电极
PEMFC的电极均为气体扩散电极。它至少有两层 构成：起支撑作用的扩散层和为电化学反应进行 的催化层。
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。
电池组结构示意图
电池组设计原则： 效率和比功率分别是电池组在标定功率下运行时的能 量转化效率和在标定功率下运行时的质量比功率和体 积比功率。
1）对于民用发电（分散电源或家庭电源），能量转化 效率更为重要，而对体积比功率与质量比功率的要求 次之。故依据用户对电池组工作电压的要求确定串联 的单电池数目时，一般选取单电池电压为0.70~0.75V。 这样在不考虑燃料利用率时，电池组的效率可达 56%~60%(LHV)。再依据单电池的实验V-A特性曲线， 确定电池组工作电流密度，进而依据用户对电池组标 定功率的要求确定电极的工作面积。在确定工作面积 时，还应考虑电池系统的内耗。
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。
④构成双极板的材料必须在阳极运行条件下(一定的电 极电位、氧化剂、还原剂等)抗腐蚀，以达到电池组的 寿命要求，一般为几千小时至几万小时。
⑤因为PEMFC电池组效率一般在50％左右，双权板材 料必须是热的良导体，以利于电池组废热的排出。
为降低电池组的成本，制备双极板的材料必须易于 加工(如加工流场)，最优的材料是适于用批量生产工 艺加工的材料。
阴极反应： 总的反应：
1 2
Байду номын сангаасO2
2H
2e
H2O
H2
1 2
O2
H2O
发展简史
20世纪60年代，美国首先将PEMFC用于双子星座航 天飞行。该电池当时采用的是聚苯乙烯磺酸膜，在电 池工作过程中该膜发生降解。膜的降解不但导致电池 寿命的缩短，且还污染了电池的生成水，使宇航员无 法饮用。
其后，尽管通用电器公司曾采用杜邦公司的全氟磺酸 膜，延长了电池寿命，解决了电池生成水被污染的问 题，并用小电池在生物实验卫星上进行了搭载实验。
电极结构示意图
催化层 扩散层
（一）扩散层 功能：
1）起支撑作用，为此要求扩散层适于担载催化层，扩 散层与催化层的接触电阻要小；催化层主要成分是Pt/C 电催化剂，故扩散层一般选炭材制备； 2）反应气需经扩散层才能到达催化层参与电化学反应， 因此扩散层应具备高孔隙率和适宜的孔分布，有利于 传质。
（3）阳极扩散层收集燃料的电化学氧化产生的电 流，阴极扩散层为氧的电化学还原反应输送电子， 即 扩 散 层 应 是 电 的 良 导 体 。 因 为 FEMFC 工 作 电 流 密 度 高 达 1A/cm2 ， 扩 散 层 的 电 阻 应 在 m.cm2 的 数 量级。
交指状流场
多孔型流场
网状流场
单通道蛇形流场
多通道蛇形流场
至今PEMFC广泛采用的流场以平行沟槽流场和 蛇形流场为主；
对于平行沟槽流场可用改变沟与脊的宽度比和平 行沟槽的长度来改变流经流场沟槽反应气的线速 度，将液态水排出电池。
对蛇形流场可用改变沟与脊的宽度比、通道的多 少和蛇形沟槽总长度来调整反应气在流场中流动 线速度，确保将液态水排出电池。
但在美国航天飞机用电源的竞争中未能中标，让位于 石棉膜型碱性氢氧燃料电池(AFC)，造成PEMFC的研 究长时间内处于低谷。
1983年，加拿大国防部资助了巴拉德动力公司进行 PEMFC的研究。在加拿大、美国等国科学家的共 同努力下，FEMFC取得了突破性进展。
采用薄的(50-150m)高电导率的Nafion和Dow全氟 磺酸膜，使电池性能提高数倍。
3电池组的水管理
由于膜的质子（离子）导电性与膜的润湿状态密切相 关，因此保证膜的充分湿润性是电池正常运行的关键 因素之一。PEMFC的工作温度低于100℃，电池内生 成的水是以液态形式存在，一般是采用适宜的流场， 确保反应气在流场内流动线速度达到一定值（如几米 每秒以上），依靠反应气吹扫出电池反应生成的水。 但大量液态水的存在会导致阴极扩散层内氧传质速度 的降低。
沟槽的深度应由沟槽总长度和允许的反应气 流经流场的总压降决定，一般应控制在0.51.0mm之间。
（五）单电池：它是构成电池组的基本单元，电池组 的设计要以单电池的实验数据为基础。各种关键材料 的性能与寿命最终要通过单电池实验的考核。
1. 膜 电 极 “ 三 合 一 ” 组 件 (membrane electrode assembly)
①实现单池之间的电的联结，因此，它必须由导电良 好的材料构成。
②将燃料(如氢)和氧化剂(如氧)通过由双极板、密封件 等构成的共用孔道，经各个单池的进气管导入各个单 池，并由流场均匀分配到电极各处。
③因为双极板两侧的流场分别是氧化剂与燃料通道， 所以双极板必须是无孔的；由几种材料构成的复合双 极扳，至少其中之一是无孔的，实现氧化剂与燃料的 分隔。
采用这种模铸法制备双极板，由于树脂未实现石墨化， 双极板的本相电阻要高于石墨双极板，而且双极板与 电极扩散层的接触电阻也比纯石墨大。但改进联合树 脂材料、与石墨粉配比及模铸条件，可以减小模铸板 的这两种电阻。
3.金属双极板：
用薄金属板制备双极板的优点是可批量生产，如采 用冲压技术制备各种结构的双极板。
（二）质子交换膜 它是PEMFC的最关键部件之一，直接影响电池的性 能与寿命。质子交换膜应满足的要求： 1）高的H+离子传导能力； 2）在FC运行条件下，膜结构与树脂组成保持不
变，即具有良好的化学和电化学稳定性； 3）具有低的反应气体渗透性，保证FC具有高的法
拉第效率； 4）具有一定的机械强度。
目前使用的主要是Du Pont杜邦公司的全氟磺酸 型 质 子 交 换 膜 ， 即 Nafion 膜 ， 售 价 高 达 $500~800/m2。
这一开孔率过高，不但降低反应气流经流场 的线速度，而且减少了与电极扩散层的接触 面积，增大了接触电阻。
开孔率降得过低，将导致脊部分反应气扩散 进入路径过长，增加了传质阻力，导致浓差 极化的增大。一般而言，各种流场的开孔率 控制在40％一50％之间。
对蛇形与平行沟槽流场沟槽的宽度与脊的宽 度之比控制在1：(1.2-2.0)之间。通常沟槽的 宽 度 为 1mm 左 右 ， 因 此 脊 的 宽 度 应 在 12mm之间。
因此，开发性能优良的交换膜是当前研究的热点 之一。
全氟磺酸型质子交换膜传导质子必须要有水存在 才行，其传导率与膜的含水率呈线性关系。
实验表明，当相对湿度小于35%时，膜电导显著 下降，而在相对湿度小于15%时，Nafion膜几乎 成为绝缘体。
（三）双极板
PEMFC电池组一般按压滤机方式组装。由图可知，双 极板必须满足下述功能要求。
这种复合双极板技术的关键是尽量减少多孔石墨流 场板与薄金属分隔板间的接触电阻。
（四）流场：作用是引导反应气流动方向，确保反 应气均匀分配到电极各处，经扩散层到达催化层参 与电化学反应。
流场主要有：网状，多孔，平行沟槽，蛇形和交指 状等。
流场设计是至关重要的，而且很多是高度保密的专 有技术。
平行沟槽流场
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。
5）扩散层材料与结构应能在PEMFC工作条件下保 持
扩散层的上述功能采用石墨化的炭纸或炭布是 可以达到的，但是PEMFC扩散层要同时满足 反应气与产物水的传递，并具有高的极限电流， 则是扩散层制备过程中最难的技术问题。
下图为PEMFC的工作原理示意图。
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： H2 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。
交指状流场是一种正在开发的新型流场。它的优 点是强迫反应气流经电极的扩散层强化扩散层的 传质能力，同时将扩散层内水及时排出。
但这种流场在确保反应气在电极各处的均匀分配 与控制反应气流经流场的压力降方面均需深入研 究，并与相应工艺开发相配合。
上述各种流场的脊部分靠电池组装力与电极 扩散层紧密接触，而沟部分为反应气流的通 道，一般沟槽部分面积与脊部分面积之比为 流场的开孔率。
对于PEMFC,由于膜为高分子聚合物,仅靠电池组的组 装力,不但电极与膜之间的接触不好,而且质子导体也无 法进入多孔气体电极的内部。为了实现电极的立体化， 需向多孔气体扩散电极内部加入质子导体（如全氟磺 酸树脂），同时为改善电极与膜的接触，将已加入全 氟磺酸树脂的阳极，隔膜（全氟磺酸膜）和已加入全 氟磺酸树脂的阴极压合在一起，形成了“三合一”组 件（MEA）
三. 特点与用途 除了具有FC的一般优点外，PEMFC还具有： 室温下快速启动 无电解质液流失 比功率和比能量高 寿命长。 可用于分散电站，移动电源，是电动车、移动通 讯和潜艇等的理想电源，也是最佳的家庭动力源。
四. 电极
PEMFC的电极均为气体扩散电极。它至少有两层 构成：起支撑作用的扩散层和为电化学反应进行 的催化层。
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。
电池组结构示意图
电池组设计原则： 效率和比功率分别是电池组在标定功率下运行时的能 量转化效率和在标定功率下运行时的质量比功率和体 积比功率。
1）对于民用发电（分散电源或家庭电源），能量转化 效率更为重要，而对体积比功率与质量比功率的要求 次之。故依据用户对电池组工作电压的要求确定串联 的单电池数目时，一般选取单电池电压为0.70~0.75V。 这样在不考虑燃料利用率时，电池组的效率可达 56%~60%(LHV)。再依据单电池的实验V-A特性曲线， 确定电池组工作电流密度，进而依据用户对电池组标 定功率的要求确定电极的工作面积。在确定工作面积 时，还应考虑电池系统的内耗。
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。
④构成双极板的材料必须在阳极运行条件下(一定的电 极电位、氧化剂、还原剂等)抗腐蚀，以达到电池组的 寿命要求，一般为几千小时至几万小时。
⑤因为PEMFC电池组效率一般在50％左右，双权板材 料必须是热的良导体，以利于电池组废热的排出。
为降低电池组的成本，制备双极板的材料必须易于 加工(如加工流场)，最优的材料是适于用批量生产工 艺加工的材料。
阴极反应： 总的反应：
1 2
Байду номын сангаасO2
2H
2e
H2O
H2
1 2
O2
H2O
发展简史
20世纪60年代，美国首先将PEMFC用于双子星座航 天飞行。该电池当时采用的是聚苯乙烯磺酸膜，在电 池工作过程中该膜发生降解。膜的降解不但导致电池 寿命的缩短，且还污染了电池的生成水，使宇航员无 法饮用。
其后，尽管通用电器公司曾采用杜邦公司的全氟磺酸 膜，延长了电池寿命，解决了电池生成水被污染的问 题，并用小电池在生物实验卫星上进行了搭载实验。
电极结构示意图
催化层 扩散层
（一）扩散层 功能：
1）起支撑作用，为此要求扩散层适于担载催化层，扩 散层与催化层的接触电阻要小；催化层主要成分是Pt/C 电催化剂，故扩散层一般选炭材制备； 2）反应气需经扩散层才能到达催化层参与电化学反应， 因此扩散层应具备高孔隙率和适宜的孔分布，有利于 传质。
（3）阳极扩散层收集燃料的电化学氧化产生的电 流，阴极扩散层为氧的电化学还原反应输送电子， 即 扩 散 层 应 是 电 的 良 导 体 。 因 为 FEMFC 工 作 电 流 密 度 高 达 1A/cm2 ， 扩 散 层 的 电 阻 应 在 m.cm2 的 数 量级。
交指状流场
多孔型流场
网状流场
单通道蛇形流场
多通道蛇形流场
至今PEMFC广泛采用的流场以平行沟槽流场和 蛇形流场为主；
对于平行沟槽流场可用改变沟与脊的宽度比和平 行沟槽的长度来改变流经流场沟槽反应气的线速 度，将液态水排出电池。
对蛇形流场可用改变沟与脊的宽度比、通道的多 少和蛇形沟槽总长度来调整反应气在流场中流动 线速度，确保将液态水排出电池。
但在美国航天飞机用电源的竞争中未能中标，让位于 石棉膜型碱性氢氧燃料电池(AFC)，造成PEMFC的研 究长时间内处于低谷。
1983年，加拿大国防部资助了巴拉德动力公司进行 PEMFC的研究。在加拿大、美国等国科学家的共 同努力下，FEMFC取得了突破性进展。
采用薄的(50-150m)高电导率的Nafion和Dow全氟 磺酸膜，使电池性能提高数倍。
3电池组的水管理
由于膜的质子（离子）导电性与膜的润湿状态密切相 关，因此保证膜的充分湿润性是电池正常运行的关键 因素之一。PEMFC的工作温度低于100℃，电池内生 成的水是以液态形式存在，一般是采用适宜的流场， 确保反应气在流场内流动线速度达到一定值（如几米 每秒以上），依靠反应气吹扫出电池反应生成的水。 但大量液态水的存在会导致阴极扩散层内氧传质速度 的降低。
沟槽的深度应由沟槽总长度和允许的反应气 流经流场的总压降决定，一般应控制在0.51.0mm之间。
（五）单电池：它是构成电池组的基本单元，电池组 的设计要以单电池的实验数据为基础。各种关键材料 的性能与寿命最终要通过单电池实验的考核。
1. 膜 电 极 “ 三 合 一 ” 组 件 (membrane electrode assembly)
①实现单池之间的电的联结，因此，它必须由导电良 好的材料构成。
②将燃料(如氢)和氧化剂(如氧)通过由双极板、密封件 等构成的共用孔道，经各个单池的进气管导入各个单 池，并由流场均匀分配到电极各处。
③因为双极板两侧的流场分别是氧化剂与燃料通道， 所以双极板必须是无孔的；由几种材料构成的复合双 极扳，至少其中之一是无孔的，实现氧化剂与燃料的 分隔。
采用这种模铸法制备双极板，由于树脂未实现石墨化， 双极板的本相电阻要高于石墨双极板，而且双极板与 电极扩散层的接触电阻也比纯石墨大。但改进联合树 脂材料、与石墨粉配比及模铸条件，可以减小模铸板 的这两种电阻。
3.金属双极板：
用薄金属板制备双极板的优点是可批量生产，如采 用冲压技术制备各种结构的双极板。
（二）质子交换膜 它是PEMFC的最关键部件之一，直接影响电池的性 能与寿命。质子交换膜应满足的要求： 1）高的H+离子传导能力； 2）在FC运行条件下，膜结构与树脂组成保持不
变，即具有良好的化学和电化学稳定性； 3）具有低的反应气体渗透性，保证FC具有高的法
拉第效率； 4）具有一定的机械强度。
目前使用的主要是Du Pont杜邦公司的全氟磺酸 型 质 子 交 换 膜 ， 即 Nafion 膜 ， 售 价 高 达 $500~800/m2。
这一开孔率过高，不但降低反应气流经流场 的线速度，而且减少了与电极扩散层的接触 面积，增大了接触电阻。
开孔率降得过低，将导致脊部分反应气扩散 进入路径过长，增加了传质阻力，导致浓差 极化的增大。一般而言，各种流场的开孔率 控制在40％一50％之间。
对蛇形与平行沟槽流场沟槽的宽度与脊的宽 度之比控制在1：(1.2-2.0)之间。通常沟槽的 宽 度 为 1mm 左 右 ， 因 此 脊 的 宽 度 应 在 12mm之间。
因此，开发性能优良的交换膜是当前研究的热点 之一。
全氟磺酸型质子交换膜传导质子必须要有水存在 才行，其传导率与膜的含水率呈线性关系。
实验表明，当相对湿度小于35%时，膜电导显著 下降，而在相对湿度小于15%时，Nafion膜几乎 成为绝缘体。
（三）双极板
PEMFC电池组一般按压滤机方式组装。由图可知，双 极板必须满足下述功能要求。
这种复合双极板技术的关键是尽量减少多孔石墨流 场板与薄金属分隔板间的接触电阻。
（四）流场：作用是引导反应气流动方向，确保反 应气均匀分配到电极各处，经扩散层到达催化层参 与电化学反应。
流场主要有：网状，多孔，平行沟槽，蛇形和交指 状等。
流场设计是至关重要的，而且很多是高度保密的专 有技术。
平行沟槽流场
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。