质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池

学院：材料科学与工程学院

班级： 13应用物理

组员：方毅、罗烈升

学号：0120；0121

指导老师：孙良良（博士）

时间： 2016年5月28日

目录PEMFC的结构 (3)

PEMCD的工作原理 (3)

质子交换膜 (4)

PEMC的优点 (4)

PEMFC的应用前景 (5)

PEMFC的发展概况 (6)

PEMFC的结构

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。如图1

PEMFC的工作原理

图1 燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由三部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图2。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。

其工作原理如下：

1）氢气通过管道或导气板到达阳极。

2）在阳极催化剂的作用下，1个氢分子解离为2个氢

质子，并释放出2个电子，阳极反应为：

2H

2

-4e-=4H+ Eθ= 0. 000 V。

3）在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气

板到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过

外电路到达阴极的电子发生反应生成水，阴极反应为：

O 2+4H++4e-=2H

2

O Eθ= 1. 234 V

总的化学反应为：图2

1/2 O

2+ H

2

=H

2

O Eθ

cell

= 1. 234 V

电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳极和阴极供

给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。

质子交换膜（PEM）

在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。

迄今最常用的质子交换膜（PEM）仍然是美国杜邦公司的Nafion质子交换膜，具有质子电导率高和化学稳定性好的优点，PEMFC大多采用Nafion等全氟磺酸膜，国内装配PEMFC 所用的PEM主要依靠进口。但Nafion质子交换类膜仍存在下述缺点：(1)制作困难、成本高，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高；(2)对温度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作温度为70～90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题；(3)某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换膜。

Nafion膜的价格在600美元每平方米左右，相当于120美元每千瓦（单位电池电压为）。在燃料电池系统中，膜的成本几乎占总成本的20%~30%。为尽早实现燃料电池的商业化应用，降低质子交换膜的价格迫在眉睫。

PEMFC的优点

（1）能量转化效率高。通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能，不通过热机过程，不受卡诺循环的限制。

（2）可实现零排放。其唯一的排放物是纯净水（及水蒸气），没有污染物排放，是环保型能源。

（3）运行噪声低，可靠性高。PEMFC电池组无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。

（4）维护方便。PEMFC内部构造简单，电池模块呈现自然的“积木化”结构，使得电池组的组装和维护都非常方便；也很容易实现“免维护”设计。

（5）发电效率受负荷变化影响很小，非常适合于用作分散型发电装置（作为主机组），也适于用作电网的“调峰”发电机组（作为辅机组）。

（6）氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛，是一种可再生的能源资源，取之不尽，用之不绝。可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行重整制氢；也可通过电解水制氢、光解水制氢、生物制氢等方法获取氢气。

（7）氢气的生产、储存、运输和使用等技术目前均已非常成熟、安全、可靠。

PEMFC的应用前景

一是用作便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、不间断电源等，适用于军事、通讯、计算机、地质、微波站、气象观测站、金融市场、医院及娱乐场所等领域，以满足野外供电、应急供电以及高可靠性、高稳定性供电的需要。

PEMFC电源的功率最小的只有几瓦，如手机电池。据报道，PEMFC手机电池的连续待机时间可达1000小时，一次填充燃料的通话时间可达100小时（摩托罗拉）。适用于便携计算机等便携电子设备的PEMFC电源的功率范围大致在数十瓦至数百瓦（东芝）。军用背负式通讯电源的功率大约为数百瓦级。卫星通讯车用的车载PEMFC电源的功率一般为数千瓦级。

二是可用作助动车、摩托车、汽车、火车、船舶等交通工具动力，以满足环保对车辆船舶排放的要求。PEMFC的工作温度低，启动速度较快，功率密度较高（体积较小）因此，很适于用作新一代交通工具动力。这是一项潜力十分巨大的应用。由于汽车是造成能源消耗和环境污染的首要原因，因此，世界各大汽车集团竞相投入巨资，研究开发电动汽车和代用燃料汽车。从目前发展情况看，PEMFC 是技术最成熟的电动车动力源，PEMFC电动车被业内公认为是电动车的未来发展方向。燃料电池将会成为继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统。PEMFC可以