质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池
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。
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。
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。
这是目前世界各国研发的重点之一。
其难点：在PEMFC工作条件下的抗腐蚀问题（氧 化，还原，一定的电位和弱酸性电解质下的稳定 性）；与扩散层（碳纸）的接触电阻大。
抗腐蚀的方法之一是用改变合金组成与制备工艺的 方法。
4. 复合双极板：
采用廉价的多孔石墨板制备流场。由于这层多孔石 墨流场板在电池工作时充满水，既有利于膜的保湿， 也阻止反应气与作为分隔板的薄金属板 （0.1~0.2mm)接触，因而减缓了它的腐蚀。
质子交换膜燃料电池技术
质子交换膜燃料电池技术嘿，朋友们！今天咱来聊聊这个质子交换膜燃料电池技术。
你说这质子交换膜燃料电池技术啊，就像是一个神奇的小宇宙！它能把化学能直接转化为电能，这可太牛了吧！就好像魔术师一样，轻轻一变，能量就出来了。
想象一下，未来我们的生活中到处都有它的身影。
汽车不用烧油了，靠它就能跑起来，那得多环保啊，天空都会更蓝了呢！家里的电器也能靠它供电，再也不用担心停电啦。
这可不是我在吹牛哦，质子交换膜燃料电池技术真的有这么厉害。
它的工作原理呢，其实也不难理解。
就像是一场接力比赛，质子在膜里快速穿梭，就像运动员在赛道上飞奔一样，把能量传递下去。
而且啊，它还特别稳定可靠，不会像有些技术那样时不时就出点小毛病。
你知道吗，这质子交换膜燃料电池技术在很多领域都大显身手呢！在交通领域，那些新型的燃料电池汽车，跑得又快又安静，还不排放有害气体，多棒啊！在能源领域，它能给我们提供稳定的电能，让我们的生活更加便利。
那有人可能会问了，这么好的技术，是不是很难搞啊？其实也不是啦！虽然它确实需要一些专业知识和技术，但只要我们努力去学习、去研究，肯定能掌握它的。
就像学骑自行车一样，一开始可能会摔倒，但多练几次不就会了嘛。
而且，现在有很多科学家和工程师都在努力研究和改进这个技术呢！他们就像一群勤劳的小蜜蜂，不断地探索、尝试，让这个技术变得越来越好。
说不定哪天，我们就能看到质子交换膜燃料电池技术无处不在啦！咱再回过头来想想，要是没有这个技术，我们的生活得失去多少便利和乐趣啊！所以啊，我们可得好好珍惜这个神奇的技术，让它为我们的生活带来更多的美好。
总之，质子交换膜燃料电池技术就是未来的希望，它就像一束光，照亮我们前进的道路。
让我们一起期待它带给我们更多的惊喜吧！。
燃料电池的种类及应用
燃料电池的种类及应用燃料电池是一种将化学能转化为电能的技术，其工作原理是通过将氢气与氧气反应产生电子、阳离子和水，并产生电流来驱动外部设备。
燃料电池可以分为多种类型，每种类型都有着不同的特点和适用场景。
以下是一些常见的燃料电池种类及其应用：1. 质子交换膜燃料电池（PEMFC）：PEMFC 是目前最常见和最常用的燃料电池类型之一。
它由氢气和氧气在质子交换膜中反应生成水和电能。
这种燃料电池具有高效、响应速度快、启动时间短等优点，适用于小型移动设备、汽车、船舶和无人机等应用。
2. 高温聚合物电解质燃料电池（HT-PEMFC）：HT-PEMFC 操作温度较高，约为150-200摄氏度。
它通常使用高温聚合物作为电解质，这使得它具有更好的耐久性和氧化稳定性。
由于其高温操作条件，它可以直接从燃料中产生电，因此适用于汽车等需要高功率输出的应用。
3. 燃料电池电动汽车（FCEV）：燃料电池电动汽车是一种使用燃料电池作为能源的电动汽车。
它使用氢气作为燃料，通过与空气中的氧气反应来产生电能。
与传统的燃油汽车相比，燃料电池电动汽车具有零排放、零污染和长续航里程等优点。
4. 固体氧化物燃料电池（SOFC）：SOFC 是一种高效、长寿命的燃料电池，它可以直接将化学能转化为电能。
它使用固体氧化物作为电解质，通常在800-1000摄氏度的高温条件下运行。
SOFC 可以使用多种燃料，包括氢气、甲烷和生物质等，因此在工业应用中具有广泛的用途，如电力发电站、垃圾处理厂等。
5. 直接甲醇燃料电池（DMFC）：DMFC 通过将甲醇和氧气反应产生电能。
这种燃料电池不需要氢气供应，因此它更加便携和灵活。
DMFC 适用于小型移动设备，如笔记本电脑和移动电话等。
6. 氧化铝燃料电池（AFC）：AFC 通常使用碱性电解质和盐水作为电解质，氢气和氧气反应产生电能。
它具有低成本、高效率和长寿命等优点，但由于其在腐蚀性液体中的操作，因此应用范围较为有限。
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。
质子交换膜燃料电池功率
质子交换膜燃料电池功率质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）是一种能够将氢气和氧气通过电化学反应产生电能的设备。
其独特的结构和工作原理使得它成为了目前最为常见和研究最为深入的燃料电池系统之一。
本文将以质子交换膜燃料电池的功率为主题，探讨其工作原理、性能优化以及应用前景。
一、质子交换膜燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池是通过质子传导的方式来转化化学能为电能的。
其基本的反应方程式为：2H2 + O2 → 2H2O在质子交换膜燃料电池中，氢气（H2）被分解成质子（H+）和电子（e-），质子通过质子交换膜传导到阴极侧，而电子则通过外部电路流动到阴极侧。
在阴极侧，质子和电子与氧气（O2）发生反应生成水（H2O）。
整个过程中，质子交换膜起到了隔离质子和电子的作用，同时允许质子通过，以保持电子流的连续性。
二、质子交换膜燃料电池的性能优化为了提高质子交换膜燃料电池的功率输出，研究人员从多个方面进行了性能优化。
1. 质子交换膜的选择：质子交换膜起到关键的隔离和质子传导作用，因此选择合适的质子交换膜对于提高燃料电池性能至关重要。
常用的质子交换膜材料包括聚四氟乙烯（PTFE）和聚苯乙烯磺酸（PSSA）等。
研究人员通过改变质子交换膜的结构和成分，以提高其质子传导性能和稳定性。
2. 催化剂的优化：催化剂是促进氢气和氧气反应的关键因素。
常用的催化剂材料包括铂（Pt）和其合金。
研究人员通过改变催化剂的形貌、组成和载体等因素，以提高催化剂的活性和稳定性。
3. 氢气和氧气供应的优化：质子交换膜燃料电池需要稳定的氢气和氧气供应。
研究人员通过优化氢气和氧气的输送和分配系统，以提高质子交换膜燃料电池的性能。
4. 温度和湿度的控制：质子交换膜燃料电池的工作温度和湿度对其性能有着重要影响。
适当的温度和湿度可提高质子交换膜的质子传导性能，同时降低电极的极化现象。
三、质子交换膜燃料电池的应用前景质子交换膜燃料电池具有高效能、低排放、易于启动和无噪音等优点，因此在多个领域具有广阔的应用前景。
质子交换膜燃料电池应用领域
质子交换膜燃料电池应用领域质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）作为一种新型的绿色能源技术，正在逐渐应用于各个领域。
它具有高效能、低污染、静音等特点，受到了广泛的关注和研究。
一、交通运输领域随着全球环保意识的增强，交通运输领域对清洁能源的需求越来越迫切。
质子交换膜燃料电池作为一种高效能的能源转换装置，被广泛应用于电动汽车、无人驾驶车辆等交通工具中。
相较于传统燃油车，质子交换膜燃料电池车辆具有零排放、低噪音、高能量密度等优势，可以有效减少空气污染和噪音污染。
二、航空航天领域质子交换膜燃料电池在航空航天领域的应用也备受关注。
由于其高能量密度和轻量化的特点，质子交换膜燃料电池可以作为航空器的主要能源来源，取代传统的燃油发动机。
这不仅可以提高飞机的续航能力，还可以减少气体排放，降低对空气质量和环境的影响。
三、移动电源领域随着移动电子设备的普及，对于高效、便携的电源需求也日益增长。
质子交换膜燃料电池具有高能量密度和快速充电的特点，可以用作移动电源，为手机、平板电脑等设备提供持久的电力支持。
相比传统电池，质子交换膜燃料电池不仅充电速度更快，而且充电次数更多，使用寿命更长。
四、农业领域质子交换膜燃料电池在农业领域的应用也具有很大潜力。
例如，可以将质子交换膜燃料电池应用于农业机械设备，提供清洁、高效的动力源。
此外，质子交换膜燃料电池还可以用于农村地区的电力供应，解决乡村电网建设和供电不足的问题。
质子交换膜燃料电池的应用领域非常广泛，涵盖了交通运输、航空航天、移动电源、农业等多个领域。
随着技术的不断进步和成本的降低，质子交换膜燃料电池将在未来发展中发挥更加重要的作用，为人类创造一个更加清洁、可持续的未来。
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。
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膜
MEA
质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池
燃料电池堆
电堆（板框压滤机式）燃料气、氧气供给系统， 加湿系统，冷却系统，控制系统组成电池
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电极催化剂
对催化剂的要求
（1）要有高的电催化活性，对副反应抑制 （2）要有高的电催化稳定性，主要防止CO中毒 （3）要有大的比表面积 （4）要有适当的载体，常用的有活性炭、炭黑，近几年
导致气体透过性能下降 5）具有化学稳定性和热稳定性 6）制造成本低，性能价格比高
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气体扩散层的制备方法
将碳纸或碳布浸入PTFE乳液中，使其载上50%左 右的PTFE，然后在340℃左右热处理，使PTFE乳液中 的表面活性剂分解，同时使PTFE均匀分散。
炭黑亲水处理 发孔剂
无水乙醇
搅拌 憎水剂
纳米管、导电聚合物被广泛研究 （5）要有好的导电性
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催阳化极剂催的化剂选择
早期采用镍、钯，后来使用铂黑，但由于铂黑的粒度 较大，分散度较低，导致铂的利用率低。现在多采用 Pt/C作为阳极反应的催化剂。
H2中含有的CO和CO2均会使Pt催化剂中毒
H2中CO含量 （体积分数）
电极有效面积 （与纯H2相比）
(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
质子交换膜燃料电池
主要内容
1
发展简史
2
工作原理
3
特点
4
关键部件
5
商业化问题
质子交换膜燃料电池
发展简史 1960年美国通用汽车公司开发的PEMFC用于双子星座动 力源。 20世纪70年代美国杜邦公司研制出了全氟磺酸膜。 1968年到1984年PEMFC的研究处于低谷。 20世纪80年代中期由于电池材料和制备技术的发展，又 掀起了PEMFC的研发热潮。 1993年Ballard公司研制出了以PEMFC为动力源的公共 汽车。 2001年Ballard公司建成了世界第一个燃料电池厂。 之后许多汽车公司相继开发出了燃料电池汽车。
阴极催化剂
一般采用Pt,因为在所有的元素中，Pt对氧还原的电催 化性能最好
过渡金属与Pt的二元和三元复合催化剂催化性能要 高于Pt催化剂，如Pt-Co、Pt-Fe、 Pt-Cr-Cu、Pt-Co-Ga 等。
另外，Pt与过渡金属氧化物的复合催化剂也有很高 的电催化活性，如Pt-WO、 Pt-TiO2、Pt-Cu-MOx
优点
能量转换效率高 环境友好，可实现”低排放”或“零方便。 发电效率受负荷变化影响小
所用燃料易得
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缺点
膜的价格高，生产所需技术高，能生产的厂家少
对CO敏感，需要尽可能降低燃料中CO的浓度，以避 免催化剂中毒 催化剂成本较高。由于以贵金属铂作为催化剂， 因此催化剂成本较高
便得Pt粒子较小的催化剂
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扩散层
扩散层的功能
（1）支撑催化层。 （2） 使气体反应物通过扩散层扩散到催化层。 （3） 传递由催化层产生的电流。
扩散层的主要材料
（1）碳纤维纸 （2）碳纤维编织布 （3）无纺布 （4）炭黑纸
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气体扩散层必须满足的要求
1）均匀的多孔质结构，透气性能好 2）结构紧密且表面平整，减小接触电阻，提高导电性能 3）具有一定的机械强度，适当的刚性与柔性 4）适当的亲水/憎水平衡，防止过多的水分阻塞空隙而
10-5
53%
10-4
16%
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如何解决CO中毒
(1) 降低CO含量
渗氧法 在燃料增湿器中加入少量的H2O2
(2) 研究抗CO中毒的催化剂，主要采用Pt复合催化剂 如Pt-Ru、Pt-Sn、Pt-Mo、Pt-Cr、Pt-Mn、Pt-Pd Pt-Ir等。研究表明上述复合催化剂中，Pt-Ru性 能最好，且质量比为1：1时催化性能最佳。
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在工作温度为80℃，电流密度为500mA/cm2,从下表中 可以做出比较
催化剂种类 Pt/C
燃料成分 纯H2
输出 电压
Pt/C Pt-Ru/C
80%H2、20%CO2 下降 10-5CO（体积分数） 50mV
80%H2、20%CO2 下降 10-4CO（体积分数） 35mV
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质子交换膜燃料电池
图1-1 “U31”号潜艇
图1-2 日本展示的首款燃料电池机器人 “Speecys-FC”
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工作原理
阳极反应：H2 → 2H+ + 2e-
阴极反应 ：1/2 O2 + 2H+ +2e- → H2O
总反应：1/2O2+H2 →H2O
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(E0=1.14V)
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催化剂的制备
(1) 普通液相还原
炭分散在乙醇中
缓慢加入H2PtCl6,再滴加RuCl3,并煮沸
滴加还原剂
搅拌，过滤，干燥
Pt-Ru催化剂
（2） 溶胶-凝胶法
催化剂前驱体在有机溶剂中还原制备溶胶，再在活性炭上吸附既得催化剂
该方法由Bonnemann首次报道（PtCl2作为前驱体），最近一些研究组在多元 醇、乙醇或甲醇系列中制备催化剂，过程大大简化
水煮
碾压成型
加热搅拌
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气体扩散层的整平处理
经过憎水处理的碳纸或碳布可以直接使用，但 是往往其表面凹凸不平，影响性能，需要经过后续 处理。
目的
1）消除表面的凹凸不平
2）在碳纸或碳布表明再构建一个炭粉扩散薄层 以使气体进行均匀扩散
方法:将乙炔炭黑与PTFE混合，得到一定比例的溶液，对 其进行超声振荡，以便分散的更为均匀，之后将混合 溶液均匀涂覆在碳纸的表面，之后在330~370℃进 行热处理。
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电池结构 单体电池：三合一膜电极，双极板
PEMFC的核心部件为膜集合体。将阳极、质子交换 膜与阴极结合层的三明治结构的单一组件成为膜电极集 合体MEA(Membrane Electrode Assembly)。
双 极 板
质 扩催 子 催扩 双 散化 交 化散 极 层层 换 层层 板
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（3）固相反应方法
由于固相体系中粒子碰撞几率低，因此所得金属粒子平均粒径小，例如 固相条件下， H2PtCl6、聚甲醛及活性炭合成的催化剂中Pt的平均粒径为 3nm,而液相还原法中为8nm
（4） 预沉淀法
H2PtCl6水溶液和活性炭混合
搅拌下加入铵盐NH4PtCl6沉积到炭上
加还原剂还原