聚合物电解质膜燃料电池的研究进展
新型燃料电池的研究毕业论文
毕业设计（论文）题目名称：新型燃料电池的研究新型燃料电池的研究Research on new type fuel cells摘要能源是经济的的基础。
人类为了更有效的的利用能源，一直进行着不懈的努力。
利用能源的方式历史上有过多次革命性的变革，每一次变革都极大的推进了社会文明的发展。
二次能源中，蒸汽由于传输距离短，难以存储而应用受限；电能虽然传输快、传输距离远，但存在传输过程中存在能量损耗大，难于存储的缺点；而氢能既能远距离传输、又能方便存储，因而成为二十一世纪的理想能源，二十一世纪也被称为氢世纪。
多年来人们一直努力寻找既有较高能源效率又不污染环境的能源方式，因而引导出燃料电池发电技术。
燃料电池是不经燃烧过程直接把燃料的化学能转化为电能的装置，具有能量转换效率高、污染物排放量少的独特优点。
燃料电池凭借着它独特的优势应用在各个领域，加速了社社会的发展，推进了社会的文明。
本文简述了燃料电池技术，各类燃料电池的原理以及它们各自的特点，并介绍目前燃料电池在国内外的应用现状，同时指出目前影响燃料电池商品化的主要因素。
关键词：新能源；燃料电池；高效率；环境保护。
AbstractEnergy is the basis of the economy. Human beings in order to make more effective use of energy, has been making unremitting efforts. The history of the use of energy, there have been several revolutionary changes each time changes are greatly promoted the development of our society. Secondary energy in the steam due to short transmission distance, it is difficult to store and the application is limited; electricity transmission faster, the transmission distance, but there is energy loss in the transmission process, difficult to store shortcomings; hydrogen both long-distance transmission. can facilitate the storage, and thus become the ideal energy of the twenty-first century, the twenty-first century is also known as a hydrogen century. Over the years people have been trying to find the energy efficiency of higher energy without polluting the environment, and thus lead to a fuel cell power generation technology. The fuel cell is not directly by the combustion process the fuel chemical energy converted into electrical energy, with the unique advantages of high energy conversion efficiency of the discharge of pollutants.The fuel cell by virtue of its unique advantages of application in various fields to accelerate the social development of society, and promote the social civilization. In this paper, the fuel cell technology, the principle of various types of fuel cells and their respective characteristics, and describes the application of fuel cells at home and abroad, noting that the main factors affecting the commercialization of fuel cell.Keywords: new energy; fuel cell; high efficiency; environmental protection.目录摘要 (I)Abstract (II)引言 (1)1 介绍 (2)2 燃料电池技术 (2)3. 燃料电池的分类 (3)3.1碱性燃料电池（AFC） (4)3.2磷酸燃料电池（PAFC） (5)3.3熔融碳酸盐燃料电池(MCFC) (6)3.4固体氧化物燃料电池(SOFC) (7)3.5质子交换膜燃料电池(PENFC) (8)4. 燃料电池的应用现状以及存在的问题 (10)4.1 燃料电池的应用现状 (10)4.2 燃料电池应用存在的问题 (13)5.国内外燃料电池发展现状 (13)5.1国际燃料电池技术的发展状况 (13)5.2 中国燃料电池技术的发展状况 (14)6.结语 (15)参考文献 (16)致谢 (17)引言21世纪将是氢能的世纪，随着地下煤气化制氢以及金属合金贮氢等技术的日趋成熟，燃料电池作为把氢能直接连续转化为电能的高效洁净发电装置即将大规模全面进入社会。
燃料电池的电化学和热力学特性研究
燃料电池的电化学和热力学特性研究燃料电池是一种基于电化学技术的能源转换系统，可以将化学反应产生的能量转化成电能和热能。
它不仅可以提供清洁的、高效的能源，还可以减少对环境的影响。
在燃料电池中，燃料和氧气在电极上发生反应，产生电子和离子。
这些电子在外部电路中流动，产生电流；而离子则通过电解质膜传递到另一端，与另一端的氧气反应，生成水和热能。
本文将探讨燃料电池的电化学和热力学特性研究。
燃料电池的电化学特性研究燃料电池的电化学特性主要包括电极反应动力学和离子传输动力学。
电极反应动力学是指燃料电池中电极上发生的化学反应速率和反应机理。
在燃料电池中，贵金属催化剂通常用于促进电极上的反应，如在氢氧燃料电池中，铂是一种常用的催化剂。
铂能够加速氢分子在电极上的氧化反应，同时加速氧分子在电极上的还原反应，从而促进燃料电池的反应速率。
离子传输动力学是指离子在电解质膜和电极之间的传输方式和传输速率。
电解质膜是燃料电池中重要的组成部分，它能够将电子和离子分离，从而保证燃料电池的正常工作。
在燃料电池中，高效的电解质膜能够提高离子传输速率，从而提高燃料电池的效率和性能。
近年来，很多学者致力于电解质膜的研究，尝试发现更好的电解质材料以提高燃料电池的性能和降低成本。
燃料电池的热力学特性研究燃料电池的热力学特性主要包括燃料和氧化剂的热值及其燃烧产物的热值、燃料电池系统的热收支平衡等。
在燃料电池中，燃料和氧化剂通常是氢气和氧气，它们的热值与其燃烧产物的热值有关。
需要注意的是，燃料电池中反应产生的热能需要平衡燃料电池系统的热收支平衡，否则会影响燃料电池的效率和寿命。
由于燃料电池技术尚未成熟，其中很多科学问题仍需要深入研究。
例如，如何提高燃料电池的效率和寿命，以及如何降低燃料电池的成本等。
目前科学家正在尝试利用新材料和新技术来解决这些问题，如非贵金属催化剂、低成本的电解质材料和复合材料等。
这些新材料和新技术的应用将有助于提高燃料电池的效率和性能，从而推动清洁能源的发展。
燃料电池膜电极技术难点及发展趋势
燃料电池膜电极技术难点及发展趋势燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，其中膜电极是燃料电池的核心部分之一。
膜电极是将燃料和氧气分子通过电化学反应直接转化为电子和离子的薄膜。
膜电极技术的发展直接影响着燃料电池的性能和稳定性。
然而，膜电极技术还存在一些难点，并且正在发展中，本文将探讨这些难点以及未来的发展趋势。
一、膜电极技术的难点：1.膜电极材料的选择：膜电极材料需要具备一定的导电性和离子传导性能，同时还需要具有良好的耐化学腐蚀性和稳定性。
目前常用的膜电极材料有质子交换膜（PEM）和氧离子导电膜（SOFC）。
然而，两种材料在实际应用中仍存在一些问题，如PEM材料在高温下容易失去活性，而SOFC材料在低温下电导率较低。
因此，寻找新的膜电极材料是当前的研究重点之一。
2.氧化还原反应的催化剂：膜电极中的氧化还原反应需要催化剂的作用才能进行。
目前常用的催化剂有铂、钯等贵金属。
然而，贵金属催化剂的成本较高，并且容易受到污染物和燃料中有害物质的影响。
因此，寻找代替贵金属催化剂的新材料成为了研究的焦点。
3.产物的排放和废弃物处理：膜电极反应会产生一些废水和废气，其中可能含有有害物质。
这些废水和废气需要进行有效的处理和处理，以避免对环境的污染和人体的危害。
目前，如何高效地处理这些废水和废气成为了研究的难点。
二、膜电极技术的发展趋势：1.新材料的研究：为了解决膜电极材料的选择难题，研究人员正在寻找新的材料。
例如，钨酸盐、过渡金属氧化物、过渡金属硫化物等材料被认为具有良好的导电性和稳定性，可以用于膜电极的制备。
此外，纳米材料和多孔材料的应用也可以提高膜电极的性能。
2.非贵金属催化剂的研究：为了降低燃料电池的成本，研究人员正在寻找代替贵金属催化剂的新材料。
例如，碳基材料、过渡金属氧化物和硫化物等材料被认为具有较好的催化性能，并且可以降低燃料电池的成本。
3.废弃物的回收利用：为了解决废水和废气处理的难题，研究人员正在寻找高效的处理方法。
聚醚类聚合物固体电解质的研究
聚醚类聚合物固体电解质的研究聚醚类聚合物固体电解质是一种新型的电解质材料，具有在固态下导电的特性。
它在电化学领域引起了广泛的关注和研究。
本文将从材料的特性、制备方法、应用领域等方面进行探讨。
聚醚类聚合物固体电解质具有良好的离子传导性能。
由于其高分子链结构中含有大量的醚键，这些键能够提供离子传输的通道，使得电解质具有较高的离子导电率。
此外，聚醚类聚合物固体电解质还具有较宽的电化学窗口，能够在较宽的电压范围内稳定工作。
聚醚类聚合物固体电解质的制备方法多样。
常见的制备方法包括溶液浸渍法、熔融浸渍法和固相反应法等。
其中，溶液浸渍法是一种较为常用的制备方法，通过将聚合物溶液浸渍到多孔支撑体中，再经过干燥和热处理等步骤得到固体电解质。
此外，还可以通过掺杂、交联等方法来改善电解质的性能。
聚醚类聚合物固体电解质在能源领域具有广泛的应用前景。
首先，它可以应用于锂离子电池中，作为替代传统液态电解质的固态电解质材料。
相比于液态电解质，固态电解质具有更高的安全性和稳定性，能够有效抑制锂电池的热失控现象。
此外，聚醚类聚合物固体电解质还可以应用于超级电容器、燃料电池等领域，提高器件的性能和稳定性。
除了在能源领域，聚醚类聚合物固体电解质还具有其他应用潜力。
例如，在传感器领域，它可以作为离子传感器的电解质层，实现对离子浓度的检测。
此外，聚醚类聚合物固体电解质还可以应用于电化学合成、电解水等领域，推动相关技术的发展。
聚醚类聚合物固体电解质作为一种新型的电解质材料，具有良好的离子传导性能和较宽的电化学窗口。
它的制备方法多样，应用领域广泛，特别是在能源领域具有重要的应用前景。
随着对其性能和制备方法的深入研究，相信聚醚类聚合物固体电解质将在未来得到更广泛的应用和发展。
锂电池凝胶聚合物电解质的研究进展
锂电池凝胶聚合物电解质的研究进展王永勤;薛旭金;郭贤慧;王建萍【摘要】传统的采用液态电解液的锂电池常因漏液等问题容易造成安全隐患.使用凝胶聚合物电解质可以显著提高电池的安全性能,并可使电池具有薄型化、轻便化和形状可变等优点.本文介绍了凝胶聚合物电解质的优缺点、分类,并对聚环氧乙烷(PEO)基、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基、聚丙烯腈(PAN)基和聚偏氟乙烯与六氟丙烯的共聚物(PVDF-HFP)基凝胶聚合物电解质的研究进展进行了介绍.【期刊名称】《河南化工》【年(卷),期】2017(034)008【总页数】6页(P12-17)【关键词】凝胶聚合物电解质;PEO;PMMA;PAN;PVDF-HFP【作者】王永勤;薛旭金;郭贤慧;王建萍【作者单位】多氟多化工股份有限公司,河南焦作454006;多氟多化工股份有限公司,河南焦作454006;多氟多化工股份有限公司,河南焦作454006;多氟多化工股份有限公司,河南焦作454006【正文语种】中文【中图分类】TQ27.267Abstract:Traditional lithium battery adopting liquid electrolyte always causes hidden safety problems due to leakage.Safety performance is significantly increased using gel polymer electrolyte.What is more, gelpolymer electrolyte makes it possible for batteries to be thinner,lighter and more variable in shape advantages.In this paper, theadvantages,disadvantages and classification of gel polymer electrolytes are introduced,and research progress of gel polymer electrolyte based on PEO,PMMA,PAN and PVDF-HFP is introduced.Key words:gel polymer electrolyte ; PEO ; PMMA ; PAN ; PVDF-HFP随着能源需求的不断增长、天然资源的日益枯竭和生存环境的逐步恶化，我们迫切需要开发新型清洁能源，以促进可持续发展[1]。
固态锂电池聚合物电解质研究进展
固态锂电池聚合物电解质研究进展周伟东;黄秋;谢晓新;陈科君;李薇;邱介山【期刊名称】《储能科学与技术》【年(卷),期】2022(11)6【摘要】目前锂离子电池的关键挑战是如何提高电池的能量密度和电池的安全性,使用固态电解质的固态锂电池可以有效地缓解这两个问题。
固态电解质是固态电池发展的关键材料。
固态聚合物电解质(solid-statepolymer electrolyte,SPE)具有较高的柔韧性、优良的加工性和良好的界面接触性,是固态锂金属电池理想的电解质材料。
SPE的离子导电性、电化学窗口以及与电极之间界面的稳定性对固态锂电池的综合性能起着至关重要的作用。
根据电化学稳定窗口的不同,本文主要综述了:①低电压稳定SPE,与锂金属具有良好的相容性,通过交联、共混、共聚以及与无机填料复合的方法可以有效降低其结晶度,提升聚合物离子电导率;②高电压稳定SPE体系,能够匹配高电压正极使用,有效提高锂金属电池的能量密度;③多层结构SPE体系,能够同时承受锂金属负极的还原和高电压正极的氧化,为进一步开发高性能SPE和提高电池能量密度提供了新思路。
最后,对三种SPE体系进行了总结和展望,指出低电压稳定SPE的研究重点在于提高离子电导率以及力学性能,高电压稳定SPE的关键在于降低材料的最高占据分子轨道(highest occupiedmolecularorbital,HOMO)以及建立正极界面处稳定的CEI层,多层SPE的研究重点在于合适的电池和电极结构设计。
构建可与正、负极同时稳定或者同时形成界面钝化层的高导离子聚合物结构是未来的研究重点之一。
【总页数】18页(P1788-1805)【作者】周伟东;黄秋;谢晓新;陈科君;李薇;邱介山【作者单位】北京化工大学化学工程学院【正文语种】中文【中图分类】TK02【相关文献】1.锂电池用全固态聚合物电解质的研究进展2.锂电池用PEO基固态聚合物电解质研究进展及应用3.固态锂电池用MOF/聚氧化乙烯复合聚合物电解质4.应用于全固态锂电池的复合固态电解质研究进展5.安全固态锂电池室温聚合物基电解质的研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
质子交换膜燃料电池
真空溅射法
Pt-M-HxWO3/C电催化剂
复合担体
2) 表征
相表征 — XRD 粒径分布 — 粒度分布仪 粒度 — TEM、由循环伏安曲线氢吸附峰面积求得 比表面积 — 由电化学活性表面积求得
4.2 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
工 作 原 理 示 意 图
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 ： 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。 阴极反应
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。
4.3 双极板
4.1 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。
电极结构示意图
催化层 扩散层
4.1.1 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；
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。
氢燃料电池的设计和性能研究
氢燃料电池的设计和性能研究随着人们对环保和节能的认识逐渐提高，氢燃料电池作为一种新兴的清洁能源，受到越来越多的关注。
本文将就氢燃料电池的设计和性能研究展开探讨。
一、氢燃料电池的基本原理氢燃料电池是一种将氢气和氧气化学能转换为电能的装置。
它由阴极、阳极和电解质三部分组成。
在电解质中，氢气经过电极催化剂的作用，被分解成质子和电子，而氧气也被还原成水。
电子则在外部电路中产生电流，供应电力设备使用。
氢气与氧气结合成水的反应被称为氧化还原反应，同时这是一种放热反应，因此氢燃料电池在工作过程中会产生一定的热量。
二、氢燃料电池的设计1.阴极设计阴极是氢燃料电池的重要组成部分，负责充当氢气的还原剂。
阴极材料的选择将直接影响氢燃料电池的效率和稳定性。
目前较为常见的阴极材料有铂、钯等贵金属，以及非贵金属材料如铁、镍等。
由于贵金属材料价格昂贵，因此近年来研究人员开始重点关注非贵金属的阴极材料研究，以降低氢燃料电池的制造成本。
2.阳极设计阳极则是氢燃料电池的另一部分，主要负责催化氧气的还原。
目前，常用的阳极材料有铂、铜等，但也有一些研究者开始研究非贵金属阳极材料的应用。
此外，阳极的设计还需要考虑材料的稳定性和防止材料受到腐蚀的问题。
3.电解质设计电解质是氢燃料电池中保证质子传输的关键部分。
电解质通道需要能够承受高温和高压，同时满足质子的传导需求。
常用的电解质材料有聚合物电解质膜、磷酸盐电解质等。
三、氢燃料电池的性能研究氢燃料电池的性能主要包括功率密度、效率和寿命等方面。
其中，功率密度是衡量氢燃料电池性能指标之一。
功率密度越高，表示氢燃料电池输出的电能越大。
同时，氢燃料电池的效率也是一个重要的性能指标。
效率越高，表示氢燃料电池能够将化学能转换为电能的效率越高。
最后，氢燃料电池的寿命也是一个重要的性能指标。
氢燃料电池的寿命决定了氢燃料电池的生产成本和使用效率。
在氢燃料电池性能研究上，有一些重要的方法和技术。
例如，使用X射线和透射电镜研究金属催化剂的微观结构；使用拉曼光谱和红外吸收光谱研究电极表面的化学反应；利用交流阻抗谱技术研究氢燃料电池的电化学响应。
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聚合物电解质膜燃料电池的研究进展
随着人类对环境保护的认识不断提高，新能源逐渐成为大家追
逐的热门话题。其中，聚合物电解质膜燃料电池作为一种高效的
能源转换方式，越来越受到科学家们的关注和研究。本文将从聚
合物电解质膜燃料电池的原理、研究进展等方面进行阐述。
一、聚合物电解质膜燃料电池的原理
聚合物电解质膜燃料电池是一种将化学能转化为电能的设备。
它主要由贵金属电极、电解质膜、阳极和阴极等组成。其中，电
解质膜是燃料电池的关键部分，它具有导电、分隔阳阴极和易于
传输的特性，可以实现跨膜传递质子（H+）和离子电子（e-）的
过程。
在聚合物电解质膜燃料电池中，质子和电子同时在阳极发生氧
化反应，途中放出的电子流经外部电路到达阴极，使其上缓慢还
原。而在阴极上，质子和电子再次结合成水，形成闭合电路。
二、聚合物电解质膜燃料电池的研究进展
1. 电极催化剂的研究
贵金属电极是燃料电池的核心部件，它对燃料电池的性能、稳
定性产生重要影响。近年来，科学家们广泛研究了不同途径的电
极催化剂和合成方法。
现有的催化剂主要有白金族金属和非贵金属催化剂两大类。其
中，白金族金属催化剂的电催化活性高、稳定性好，但成本较高，
限制了其大规模应用。而非贵金属催化剂成本低、良好的催化性
能，逐渐成为燃料电池电极催化剂的研究热点。
2. 电解质膜材料的研究
燃料电池电解质膜作为处理质子转移和电子传输的关键部件，
其离子通透性、机械强度、耐腐蚀性等是燃料电池重要的性能指
标。
现有的电解质膜材料主要包括质子交换膜（PEM）、磷酸树脂
膜（PBI）和碱性离子膜（AEM）三类。其中，PEM用于低温燃
料电池，其具有优良的质子传导性和较高的氧化稳定性；PBI用于
高温燃料电池，具有较高的耐高温性能和优异的化学稳定性；
AEM用于碱性燃料电池，其具有较高的阴离子传导性和优良的电
化学性能。
3. 燃料的多样化
燃料是燃料电池能够产生电能的必备物质。除了传统的氢气
（H2），科学家们还在研究中寻找更多的可替代燃料。例如甲醇
（CH3OH）和乙醇（C2H5OH）等易于制备和存储的液态燃料，
以及氨（NH3）等非常易得的气态燃料。
对于不同种类燃料，需要配备相应的燃料电池，在选用燃料时
需要考虑其经济性、效率和环保性等多方面因素。
4. 燃料电池的系统集成技术
燃料电池的应用需要一个完整的能量转换系统，现有的系统集
成技术主要包括氢气纯化、燃料供给和循环系统、热管理和水平
衡控制等方面的技术。其中，热管理技术是一个关键领域，主要
是通过散热片、水冷系统或热泵等来控制燃料电池系统的温度、
分散内部产热和排出热量，保证燃料电池系统的长期稳定运行。
总的来说，聚合物电解质膜燃料电池是一种具有发展前景的新
能源转换装置。其可以实现高效、清洁和环保的电能转换，为人
类能源的可持续发展提供了新的选择。在未来的研究中，重点需
要解决的问题包括电极催化剂、电解质膜材料和燃料的可靠性、
更好的热管理和平衡控制以及电池系统的集成等方面。我们相信
在各界科学家的共同努力下，聚合物电解质膜燃料电池将会更加
成熟和完善，为实现清洁能源的目标作出更大的贡献。