氢氧燃料电池(完成)

氢氧燃料电池

大千世界，万紫千红，无奇不有！而各种各样的材料正是构成我们这个五彩缤纷的世界的基础，材料是构成所有物质的基本成分，没有材料就不会有物质，没有物质就不会有我们这个丰富多彩的大自然，更不会有人类。

生活中，材料无处不在。各种各样的材料构成的物质使人们的生活变得丰富多彩。为满足人们衣食住行等日常生活的需要，聪明的人类开始从大自然获取多种原材料，经过加工，合成人们所需要的各种各样的物质。如各种各样的时装，食品，建筑，交通工具等无不是材料合成的结晶！到如今，材料已成为社会发展的重要物质基础。20世纪60年代，人们把材料、能源、信息并成为现代技术和现代文明的三大支柱；70年代又把新型材料、信息技术和生物技术列为新技术革命的主要标志。可以说，材料工业是国民经济建设中的重要工业，也是非常重要的研究方向；材料是所有工业的基础，材料技术成为不同工程领域产业化的共性关键技术。当代每一项重大新技术的出现都有赖于新材料的发展。人们已经强烈地认识到材料科学与材料工程对社会发展的作用。无论是专门从事材料研究的科技人员，还是经济学家、金融银行家、企业界巨头以及国家领导人，都密切注意材料研究的动向和发展趋势，以便及时把握时机作出正确决策，在世界经济发展的竞争中占有一席之地。

然而正是由于材料在社会发展中的重要性，使得材料工业的发展突飞猛进！材料工业在解决当今世界所面临的难题中起着无可替代的作用！而当今世界人们所面临的主要难题是能源短缺和环境污染，据有关资料显示，地球上煤，石油，天然气在2100年前都将枯竭，并且化石燃料的燃烧对环境的污染较大！如果这些问题得不到解决，到那时世界经济将面临崩溃，为解决这些问题，在科学家们的不懈努力下，氢燃料电池“应运而生”。

为解决能源短缺、环境污染等问题，开发清洁、高效的新能源和可再生能源已十分紧迫。氢能因燃烧热值高、污染小、资源丰富成为新能源的对象，氢燃料电池作为氢能利用的有效手段，已被美国《时代》周刊评为21 世纪有重要影响的十大技术之一。

氢燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。这种装置的最大特点是由于反应过程中不涉及到燃烧，因此其能量转换效率不受"卡诺循环"的限制，能量转换效率高达60％～80％，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。

氢燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。电池阳极上的氢在催化剂作用下分解为质子和电子，带阳电荷的质子穿过隔膜到达阴极，带阴电荷的电子则在外部电路运行，从而产生电能。在阴极上的氧离子在催化剂作用下和电子、质子化合反应成水。

具体反应过程为：

(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个氢离子，即质子，并释放出2个电子，阳极反应为：

H2→2H＋＋2e

(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，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极；

(4)在阴极催化剂的作用下，氧与氢离子和电子发生反应生成水，阴极反应为：

1/2O2+2H++2e→H2O

总的化学反应如下：

H2+1/2O2→H2O

与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能电池组通过像这样大量串联的燃料电池，就可以产生足够的电能来驱动汽车。

氢燃料电池与普通电池的区别主要在于：干电池、蓄电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。

氢氧燃料电池的核心组件是氢氧交换膜，因此氢氧燃料电池又称质子交换膜燃料电池（PEMFC），质子交换膜燃料电池属于低温型燃料电池，其工作温度为80～100℃，电解质为固体聚合物薄膜，此膜加湿后可将质子从阳极传送到阴极。上述两种燃料电池由于都在低温下工作，因此反应需要用铂作催化剂，通常铂是分散在碳黑中，必须指出的是，在此温度范围铂对CO非常敏感。

氢氧交换膜是由聚合物基体结合功能性基团组合而成的。基体的材料可能是聚苯乙烯，聚丙烯酸或酚醛树脂。功能性基团则有无数种选择，可以是阴离子阳离子或者是一些特殊的螯合离子，等等。基体材料的交联度影响着材料的选择性、机械性和渗透稳定性。对于离交树脂而言，其特性还由功能性基团产生影响。它一般化学电源中使用的隔膜有区别。质子交换膜燃料电池已成为汽油内燃机动力最具竞争力的洁净取代动力源.用作PEM的材料应该满足以下条件：良好的质子电导率、水分子在膜中的电渗透作用小、气体在膜中的渗透性尽可能小、电化学稳定性好、干湿转换性能好、具有一定的机械强度、可加工性好。现阶段分为:全氟磺酸型质子交换膜;nafion重铸膜;非氟聚合物质子交换膜;新型复合质子交换膜等等！

全氟磺酸质子交换膜是一种氢离子良导体,电子绝缘体的全氟碳高分子聚合物。由于其具有优良的机械、热、化学和电化学稳定性，已被广泛地用于氢氧燃料电池，电解水制备臭氧、电解水制备氢气和氧气、有机电合成和气体传感器等。

Nafion膜是美国杜邦公司研制并实现商业化的一种单离子型的全氟聚合物膜.在Nafion膜中,阴离子为磺酸根离子,被固定在氟碳链上,其阳离子根据不同的处理过程可以为各种类型,例如H+、Na+、Li+、K+等.由于Nafion膜属于全氟膜,其聚合物链段结构中不含有H原子,因此Nafion膜具有优异的耐酸碱腐蚀性、电化学稳定性、耐化学药品性、热稳定性,在氯碱工业等领域中有广泛的应用,并且在燃料电池的研究与开发过程中也得到了高度的重视但由于ion膜在质子交换膜燃料电池中有广泛的应用，但由于Nafion膜的阻醇性能差及价格昂贵等因素，Nafion膜作为质子交换膜并没有商业化生产。

新型非氟芳环聚合物质子交换膜包括磺化芳环主链聚合物质子膜、非氟离子复合膜和酸碱聚合物复合膜等

目前我国已研制出来的新型复合质子交换膜有基于联萘二酐的磺化聚酰亚

胺质子交换膜、于含萘基团二元胺的磺化聚酰亚胺质子交换膜、基于低成本聚乙烯醇的新型复合质子交换膜，为发展高性能、低成本的质子交换膜奠定了重要的理论基础

另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起