质子交换膜燃料电池简介
燃料电池质子交换膜简介演示
化学稳定性
质子交换膜应具有良好的化学稳定性，以应对燃料电池运行过程中可能发生的化学 反应和腐蚀。
膜的材料和结构是影响其化学稳定性的关键因素。
高质量的质子交换膜应具有出色的化学稳定性，以确保在燃料电池运行过程中的稳 定性和耐久性。
06
质子交换膜在燃料电池领Hale Waihona Puke 的 应用前景及挑战应用前景
01 02
环保能源
最后，电子从阳极通过外部电路流向阴 极，完成电流的产生。
在电化学反应步骤中，氢气和氧气通过 催化剂的作用被分解成电子、质子和氧 离子。
氢气供应是指氢气从外部通过管道或压 力容器供应给燃料电池的阳极。
氧化剂供应是指氧气从外部通过管道或 压力容器供应给燃料电池的阴极。
燃料电池的类型
根据使用不同的电解质，燃料电池可以 分为质子交换膜燃料电池（PEMFC） 、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电 池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（
定制化质子交换膜
定制化质子交换膜是根据特定应用 需求，定制加工的具有特殊性能和 用途的质子交换膜。
03
质子交换膜在燃料电池中的作 用
质子交换膜作为隔膜的作用
阻隔反应气体
质子交换膜作为燃料电池的隔膜 ，能够将阳极和阴极隔开，防止 反应气体混合，确保电池的安全 运行。
传递质子
质子交换膜具有传导质子的能力 ，能够让阳极产生的质子传递到 阴极，实现电化学反应的连续进 行。
的商业化进程不断加快，市场规模不断扩大。
挑战与问题
技术成熟度
尽管质子交换膜燃料电池具有许多优点，但其技术成熟度 还有待进一步提高，尤其是在膜电极组件、双极板等关键 部件的设计和制造方面。
运行稳定性
质子交换膜燃料电池的运行稳定性还需要进一步提高，尤 其是在高温、高湿度等恶劣环境下，需要保证其长期稳定 运行。
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。
第二章-质子交换膜燃料电池精选全文完整版
Seminar Ⅱ
氢和氧在燃料电池里，同时发生两个“半反 应”，一个是在阳极发生的氧化反应（失去电 子），另一个是在阴极发生的还原反应（得 到电子），这两个反应构成了一个总的氧化 －还原反应（氧化还原作用），反应生成物 为水。
Seminar Ⅱ
阳极反应：2H2
－
4H＋+ 4e
阴极反应：O2+ 4e－+ 4H＋
Nafion是由疏水材料聚四氟乙烯链（商品名 Teflon）形成膜的骨架，及附在Teflon端部，具有 磺酸（HSo3）基团的侧链组成，环绕在磺酸侧链周 围的含水区成为电解质
Seminar Ⅱ 3 .膜电极总成 膜电极总成通常由电极（又叫气体扩散层）、催化剂 层、电解膜层等组成
铂微粒固定在相对较大的炭粉 粒子上,催化剂一般为铂，目 前，用量为0.2mg/cm2,
Seminar Ⅱ
• 在阴极，进入燃料电池的氧分子也是首先与电极表面 的催化剂铂接触，氧分子分被分裂并键合在铂表面， 形成弱的O－Pt键，使得还原反应能够发生。然后每 一个氧原子离开铂催化剂，与来自外电路的两个电子 和从膜穿过来的两个质子化合成一个水分子。至此氧 化还原反应就被完成。阴极上的催化剂再一次获得自 由，等待下一拨氧分子的到来。
Seminar Ⅱ
加压燃料电池系统里，一个十分关键的部件是“压缩 －膨胀机”。可以选用的压缩机类型很多，有双螺杆 式、罗茨转子式、叶片式等。膨胀器用来回收排出空 气中的能量。图为压缩膨胀器一例。
Seminar Ⅱ 加压燃料电池的电压－－电流曲线
Seminar Ⅱ
7.环境压力燃料电池
这种燃料电池对阴极供应略高于大气压的大流量空气，采用特 殊的燃料电池供水方法，和独特的蒸发散热方法，具有系统简 单、成本低、工作安静、燃料效率高、尺寸紧凑，安装空间 小，容易装入车辆等优点
质子交换膜燃料电池应用
质子交换膜燃料电池应用质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种电化学器件，其通过将氢气和氧气化学反应的产物（水）转化为电能来提供电力。
PEMFC具有高效、高能量密度、低排放、环保等优点，因此在近年来被广泛应用于汽车、船舶、军事装备和航空航天等领域。
PEMFC由质子交换膜、阳极和阴极三部分组成。
质子交换膜是PEMFC的核心部件，它连接了两个电极，在电极之间形成了离子通道，使氢气和氧气得以在电极上发生反应。
阳极上氢气被氧化成质子和电子，质子穿过质子交换膜到达阴极，而电子则通过外部电路流回到阴极。
在阴极上，质子和电子再次结合生成水。
与传统的燃料电池相比，PEMFC具有多种优势。
PEMFC具有高效的电化学反应速率，从而能够输出高功率密度。
由于采用了质子交换膜，PEMFC能够工作在低温下，响应速度更加迅速。
PEMFC不需要氧化剂补偿，不产生污染物和温室气体。
实际应用中，PEMFC作为汽车动力系统的代表已经开始取得了一定的进展。
由于PEMFC 具有高效的转换效率、良好的环保性和低噪音等特点，因此得到了相关领域的广泛认可。
PEMFC具有很高的初始功率，其加速能力和加速储备能力非常优秀，在城市道路上能够快速加速，因此在清洁能源领域具有广泛的应用前景。
PEMFC的实际应用仍然面临一些挑战，主要包括催化剂的高成本、寿命、稳定性和快速失活等问题。
氢气储存和氢气加注技术也需要得到进一步的完善。
使PEMFC的实际应用更加广泛和普及化需要各种领域的专家不断优化PEMFC的材料和技术，从而实现成本的降低和寿命的延长。
PEMFC作为清洁能源领域的重要技术之一，在未来几年内将得到不断的完善和发展，其在交通、军事、航空航天等领域的应用前景十分广阔。
PEMFC技术的发展需要通过材料、工艺等多个方面的改进来实现。
催化剂材料是影响PEMFC性能的关键因素之一。
目前，大多数PEMFC中使用的催化剂是铂及其合金，但铂是一种稀有金属，价格昂贵，制约了PEMFC的大规模商业化应用。
质子交换膜燃料电池-水热管理
质子交换膜燃料电池-水热管理介绍质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种常见的燃料电池，用于产生电力。
它们与传统的热机不同，因为它们直接将化学能转化为电能。
这令它们在某些方面比传统热机更具优势，例如在低温下就能工作和高效率。
PEMFC 中的大量反应所涉及的热和水管理至关重要。
热问题可能导致膜干燥、水解过程中的气泡和温度效率低下。
水问题可能包括水过多，水溢出，或者可能在温度低于冰点时冻结。
当我们考虑 PEMFC 的热和水管理时，我们需要考虑转移热、产生热和水下传输等问题。
在最新的 PEMFC 技术中，维持恰当的热和水平衡对于燃料电池的高效运行是至关重要的。
水管理PEMFC 的一项重要任务是管理水。
水是 PEMFC 反应的必要元素，但水过多会阻碍气体扩散，并增加电池的质量，因此需要确保水的循环和操控。
在 PEMFC 中，氢和氧进入电池，然后它们在阳极和阴极处反应，生成热，水和电。
水被产生在阴极部分，并被从电池中移走。
在传统上，这是通过实现循环冷却水的方式来处理的。
在 PEMFC 中，几种方法用于处理水。
首先，主要可以通过控制气体的含水量来处理水。
在 PEMFC 中使用含水量较低的氢气，可以保持电池中的水在一个较低的水平范围，且有助于电池中等格子中空气吸附和溶解在PEMFC 的电化学反应中。
其次，在 PEMFC 中使用的材料是设计为以水的形式存在的。
PEM 本身和电极都有水的存在形式，这可能有助于 PEMFC 稳定地运行。
最后，有一些技术利用 PEMFC 中发生的水电解来产生氧和氢气，这可能与随后的 PEMFC 反应相结合，以重新利用已经生成的水分。
热管理在 PEMFC 中热的产生来自于电化学反应和热损失。
在 PEMFC 的电化学反应中，电化学反应会产生热量，并引起 PEMFC 中的协同暖湿运动，另外 PEMFC 中还会因散热不及时而失去热量。
这些热量需要通过各种方式进行管理，以确保电池的运作。
用于处理PEMFC 中热问题的方法主要涉及质子交换膜和散热器的设计。
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。
先进电池材料之燃料电池-质子交换膜燃料电池精选全文完整版
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。
至今，制备PEMFC双极板广泛采用的材料是石墨和 金属板。
1.石墨双极板: 厚度为2~5mm, 机加 工共用通道, 利用电 脑刻绘机在其表面上 加工流场。这种工艺 费时，价高，不易批 量生产。
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。
阴极反应：
1 2
O2
2H
2e
H2O
总的反应：
1 H2 2 O2 H2O
1.2 PEMFC结构组成图
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。
2. PEMFC的发展简史
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。
采用蛇形流场的 石墨双极板图
双板板流场结构示意图
2. 模铸双极板:
为 降 低 成 本 和 批 量 生 产 ， 在 DOE 资 助 下 ， Los Alamos等发展了采用模铸法制备带流场的双极板。方 法是将石墨粉和热塑性树脂均匀混合，有时需加入催 化剂等，在一定温度下冲压成型，压力高达几MPa或 几十MPa。该技术尚在发展之中。
质子交换膜燃料电池简介精选全文完整版
参考数据
出货量（单位：千套） 应用类型 移动型 固定型 交通运输 合计
出货量（单位：千套） 地区 欧洲 北美 亚洲 其他地区 合计
出货量（单位：千套） 技术类型 PEMFC DMFC PAFC SOFC MCFC AFC 合计
资料来源：Fuel Cell Today
2007 9.5 2.0 0.3
通用Hy-wire
氢动三号
“氢动三号”是首款在日本 获得绿色商用牌照的燃料电 池车，也是首辆得到公路行 驶许可的液氢燃料电池汽车。 在所有获准在日本公路行驶 的燃料电池车中，“氢动三 号”以长达400公里的持续 行驶距离拔得头筹。
由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68升的氢气储存罐向燃料 电池组提供氢气。电池组所产生的电能输入电动机后，通过功率为60千瓦/82马力三相异步电 机驱动车辆行驶，并几乎不产生任何噪音。一次充气行驶里程分别可达400公里。
单位：千套
资料来源：Fuel Cell Today
2007-2011全球燃料电池发电功率（根据应用方式划分）
单位：MW
资料来源：Fuel Cell Today
2007-2011全球燃料电池出货量（根据地区划分）
单位：千套
资料来源：Fuel Cell Today
2007-2011全球燃料电池发电功率（根据地区划分）
足产品5h的运行需求。
新加坡Horizon 燃料电池公
司也对中国市场有兴趣，主要
目标是MiniPak 电子充电器的
应用。这种产品可以在家用加
氢站中加氢，每个加满需要半 小时，充满后可满足iPhone 4
两次充电需求，大概一周脱离
电网的电量。
4 W便携式燃料电池充电器
质子交换膜燃料电池原理及其应用
质子交换膜燃料电池原理及其应用质子交换膜燃料电池（PEMFC）是最流行的燃料电池类型之一。
它不仅可以在多个领域应用，还可以转换更清洁、更高效的能源来源。
本文旨在简单介绍PEMFC的原理和应用。
PEMFC的原理PEMFC的核心是质子交换膜。
这个膜能够将氢气和氧气分开，并将其转换为电能。
质子交换膜是一种由聚合物成分制成的薄膜。
在 PEFC 中，氢气从燃料进入电解池，而氧气从空气中进入。
这两种气体通过电解池中的膜进行交换，质子（氢离子）通过质子交换膜向阴极移动，同时电子从阳极移动。
在质子交换膜中，电子和质子进行了重组，并放出了能量。
能这种过程被称作氧化还原反应。
剩余的氧气和氢气会在电解池中进行化学反应并排出水和热。
PEMFC的应用PEMFC有很多的应用场合。
以下是一些常见的例子：1. 交通运输领域：汽车制造商已经开始将PEMFC用于汽车动力系统的制造，可以将打水气化后产生的氢气用于汽车燃料供应，提供更为环保和高效的交通方式。
2. 家用电器领域：已经有可使用PEMFC电源的家用电器市场产品，如UPS（不间断式电源）、净化器等等，使用更为稳定高效的燃料电池系统。
这些设备不仅节省了电气成本，而且还能节约能源，减少碳足迹。
3. 建筑领域：PEMFC还可以用于建筑领域，主要是用于供暖和电力生产。
它可以从天然气和水中提取氢气，从而为建筑中的供暖和电力生产提供清洁、高效和可持续的能源。
4. 军用领域：为军队提供可靠、经济、可持续的能源保障，军用基地、哨所、通信站等能源供给难题实际上已经成为一个难题，采用PEMFC技术直接解决电力供应问题，这样能充分利用自然资源，减少后勤物流，同时使其更加普及化，从而能够提高使用效率。
结论PEMFC技术在多种领域中有广泛的应用。
随着技术的不断发展，它将成为未来能源的重要来源之一，具备巨大的发展前景。
同时，在这样的背景下，大家还需要关注质子交换膜燃料电池的制造、使用和回收等一系列问题，力求打造未来更加环保、可持续的社会。
质子交换膜燃料电池 反应原理
质子交换膜燃料电池反应原理
【原创版】
目录
1.质子交换膜燃料电池的概念和特点
2.质子交换膜燃料电池的反应原理
3.质子交换膜燃料电池的应用领域
4.质子交换膜燃料电池的发展前景
正文
一、质子交换膜燃料电池的概念和特点
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）是一种新型燃料电池，具有高效、环保、节能等优点。
它通过氢气和氧气在阳极和阴极上发生氧化还原反应，产生电能和水。
与其他类型的燃料电池相比，PEMFC 具有更高的能量密度、更低的操作温度和更长的使用寿命。
二、质子交换膜燃料电池的反应原理
质子交换膜燃料电池的反应原理主要涉及到两个电极的反应，分别是阳极上的氢气氧化反应和阴极上的氧气还原反应。
其中，阳极上的反应为：2H2 - 4e- → 4H+，阴极上的反应为：O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O。
这两个反应过程中，电子从阳极流向阴极，产生电流。
三、质子交换膜燃料电池的应用领域
质子交换膜燃料电池广泛应用于交通、能源、通讯等领域。
在交通领域，它可以作为新能源汽车的动力源，如氢燃料电池汽车；在能源领域，它可以作为分布式电站的电源，为家庭和企业提供绿色电力；在通讯领域，它可以作为便携式电源，为各类电子产品提供稳定的电力。
四、质子交换膜燃料电池的发展前景
随着科学技术的进步和社会对环保能源的需求，质子交换膜燃料电池在各国得到了广泛关注和发展。
目前，全球许多国家和地区都在积极推动燃料电池技术的研究和应用。
我国也在这方面做出了积极的探索，并在政策扶持、技术创新、产业应用等方面取得了一定的成果。
质子交换膜燃料电
质子交换膜燃料电池可作为固定电源，为 家庭、企业、数据中心等提供清洁能源。
航空航天
移动电源
质子交换膜燃料电池具有高能量密度和可 靠性，可用于航空航天领域。
质子交换膜燃料电池可为移动设备提供电 源，如无人机、机器人等。
02 质子交换膜燃料电池的组 件与结构
燃料电池电堆
燃料电池电堆是燃料电池的核心部分， 由多个单电池串联组成，每个单电池 包含阳极、阴极和质子交换膜。
质子交换膜燃料电池可以使用多种燃 料，包括氢气、甲醇、天然气等，灵 活性高。
缺点
成本高
质子交换膜燃料电池技术目前仍 处于发展阶段，成本较高，限制 了其广泛应用。
氢气储存和运输
氢气作为质子交换膜燃料电池的 主要燃料，其储存和运输存在一 定的技术和安全挑战。
冷启动问题
质子交换膜燃料电池在低温环境 下启动困难，需要采取特殊的预 热措施。
新型结构的设计能够提高燃料电池的 功率密度和可靠性，使其更加适应不 同应用场景的需求。
新型催化剂的研发
Байду номын сангаас
新型催化剂能够降低燃料电池的铂载 量和贵金属使用量，降低成本，同时 提高电池性能。
市场发展与趋势
市场发展现状
目前，质子交换膜燃料电池在汽车、电力、 便携式电源等领域得到广泛应用，市场规模 不断扩大。
改进方向
降低成本
通过技术进步和规模化生产，降低质子交换膜 燃料电池的成本。
提高氢气储存和运输安全性
研究和开发更安全、高效的氢气储存和运输技 术。
改善冷启动性能
研发新的预热技术，提高质子交换膜燃料电池在低温环境下的启动性能。
04 质子交换膜燃料电池的研 发与进展
国内外研究现状
质子交换膜燃料电池概述精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版质子交换膜燃料电池概述1.前言国外能源机构预测随着石油、煤炭等自然资源的日趋枯竭，21世纪将成为氢能的时代。
燃料电池是一种不经过燃烧而通过电化学反应直接把燃料中的化学能转化为电能的装置。
与传统的火力发电相比，最大的优点是不受热机卡诺循环的限制，CO、CO2、Sv2、NOX及未燃尽的有害物质排放量极低。
能量转化率高，一般在45%左右，火力发电仅为30%左右，如果在技术上加以完善或综合利用其效率可望达到60%以上。
PEM燃料电池是继磷酸盐燃料电池后的第二代燃料电池。
由于采用全氟磺酸膜为电解质，以纯氢或净化重整气为燃料，因此具有能量转化率高、低温启动、无电解质泄露等优点，也因此被认为是继火力发电、水力发电、核能发电之后的第四大能量转化发电方式，它将在燃料电池电站、电动汽车、移动式电源、潜艇、航空航天技术等方面具有广阔的应用前景。
2.PEM燃料电池的发展20世纪60年达初，美国首次将PEM燃料电池用于“双子星座”Gemini飞船飞行。
当时，由于电解质膜稳定性差、电池堆寿命短、贵金属Pt用量太高，致使PEM燃料电池在空间的应用搁置了近20年。
20世纪80年代，加拿大电力公司在政府的支持下开展研究，使PEM燃料电池的性能价格比大大提高。
此后，以美国、加拿大和德国为首的发达国家纷纷投入巨资开展PEM燃料电池的研究开发工作，使得PEM技术日趋成熟。
这期间的研究主要集中在基础性研究和实用性产品的开发。
近五年来，由于可望成为未来理想的移动电源，尤其适合作为清洁汽车动力，世界各大汽车公司纷纷联合开发车用PEM燃料电池，例如德国的戴姆莱克莱斯勒公司、美国的福特公司和加拿大的巴拉德公司组成联盟投资10亿加元成立分别控股的巴拉德动力公司DBB公司和依考斯达公司，分别负责开发燃料电池电动车用燃料电池组电池系统与电推进系统。
另外，由于军用潜艇和军用移动电源隐蔽性的需要，各发达国家国防部门及军方均加紧高性能PEM燃料电池技术的研究。
质子交换膜燃料电池PEMFC
质子交换膜燃料电池PEMFC质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一种广泛应用于交通运输、便携电源和固定电源等领域的高效绿色电能转换装置。
它具有快速启动、低温工作和高能量密度等特点，被广泛视为替代传统燃油的可持续能源技术。
一、工作原理质子交换膜燃料电池是通过催化剂将氢气（H2）在正极（anode）处氧化生成质子（H+）和电子（e-），质子通过质子交换膜传导到阴极（cathode）处，而电子则通过外部电路产生电能。
在阴极处，质子和电子再以还原剂（通常为氧气，O2）为氧化剂进行还原，生成电子和水。
整个过程可以用以下反应式表示：1.氢气氧化反应（正极反应）：H2→2H++2e-2.氧气还原反应（阴极反应）：O2+4H++4e-→2H2O二、结构与组成1.存储和供应燃料的系统：包括氢气贮存器和供应器。
氢气通过供应器输送到质子交换膜燃料电池的正极。
2.质子交换膜：质子交换膜是电池中的核心组件，用于隔离正极和阴极，同时允许质子传导通过。
质子交换膜需要具备良好的电导性和高温稳定性。
3.催化剂：常用的催化剂材料是铂（Pt），它被涂覆在阳极和阴极的电极表面上，用于加速氢气的氧化和氧气的还原反应。
4.双极板：双极板主要用于将氢气和氧气均匀地输送到电极表面，并收集产生的电能。
5.冷却系统：质子交换膜燃料电池在工作过程中会产生热量，冷却系统用于控制电池的工作温度，并确保稳定的性能。
6.辅助设备：包括氢气湿润器、氢气和氧气流量调节器、电池控制单元等，用于优化电池的工作效果和安全性。
三、特点与优势1.高效能源转换：质子交换膜燃料电池的能量转化效率可达40%-60%以上，比传统燃料电池高出很多。
2.快速启动和响应：由于质子交换膜燃料电池的低工作温度（一般为60-90°C），它能在短时间内快速启动并提供稳定的电能。
3.绿色环保：质子交换膜燃料电池只产生水和热，不产生有害物质，零排放。
质子交换膜燃料电池 反应原理
质子交换膜燃料电池反应原理
（实用版）
目录
1.质子交换膜燃料电池的概念和原理
2.质子交换膜燃料电池的反应方程式
3.质子交换膜燃料电池的应用和优势
4.质子交换膜燃料电池的未来发展前景
正文
一、质子交换膜燃料电池的概念和原理
质子交换膜燃料电池，简称 PEMFC，是一种燃料电池，其工作原理是通过氢气和氧气在质子交换膜上的电极反应，将化学能直接转化为电能。
在这个过程中，氢气在负极发生氧化反应，产生质子（H+）和电子（e-），而氧气在正极发生还原反应，与质子结合生成水。
电子从负极流向正极，形成电流，从而实现能量转换。
二、质子交换膜燃料电池的反应方程式
以氢氧燃料电池为例，其反应方程式如下：
负极（氢气）：H2 - 2e- → 2H+
正极（氧气）：O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
三、质子交换膜燃料电池的应用和优势
质子交换膜燃料电池具有高能量密度、低污染、短充电时间等优点，被认为是未来交通工具、分布式电站及各类电子产品等最主要的供能电源之一。
目前，质子交换膜燃料电池已成功应用于新能源汽车、便携式电源、航空航天等领域。
四、质子交换膜燃料电池的未来发展前景
随着科技的进步和社会对环保能源的需求，质子交换膜燃料电池在未来有着广阔的发展前景。
在燃料电池技术中，质子交换膜燃料电池具有较高的能量密度和较低的成本，因此，它在未来能源结构中的地位将日益重要。
质子交换膜燃料电池
阴极主要由气体扩散层、催化剂层和 质子交换膜组成。气体扩散层的作用 是提供氧气并传导电子，催化剂层促 进氧气的还原反应，产生电流和水。
阳极
总结词
阳极是燃料电池中的燃料反应区，负责提供燃料（如氢气）和电子，同时排出 反应产物。
详细描述
阳极的结构与阴极类似，也由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜组成。气体 扩散层提供燃料气体并传导电子，催化剂层促进燃料电化学氧化反应，产生电 流和水。
寿命有限
质子交换膜燃料电池的寿命通常在几 百到一千小时左右，需要定期更换或 维修。
需要加湿
质子交换膜燃料电池需要加湿以保持 其性能和稳定性，增加了系统的复杂 性。
04
PEMFC的研发与进展
当前研究重点
提高能量密度
01
通过改进电极材料和催化剂，提高燃料电池的能量输出密度，
以满足实际应用需求。
降低成本
质子交换膜燃料电池
• 质子交换膜燃料电池简介 • PEMFC的组件与结构 • PEMFC的优缺点 • PEMFC的研发与进展 • PEMFC的未来展望
01
质子交换膜燃料电池简介
定义与工作原理
定义
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种将化学能转化为电能的装置，使用质子交换膜作为电解质，通过氢气和氧 气的化学反应产生电流。
详细描述
双极板通常由导电材料制成，如石墨或金属复合材料。它们 需要具有良好的导电性能和机械稳定性，以承受燃料电池运 行过程中的压力和温度变化。双极板的设计和制造对于提高 燃料电池的性能和可靠性至关重要。
03
PEMFC的优缺点
优点
环保
只产生水蒸气作为排放物，是 一种零排放的能源。
安静
运行时噪音很小，适合用于需 要安静环境的场合。
质子交换膜燃料电池的特点、优缺点
质子交换膜燃料电池的特点、优缺点质子交换膜燃料电池的特点1. 高能量利用率质子交换膜燃料电池 (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 可以将燃料的化学能直接转化为电能，其能量利用率高达40% ~ 60%，远远高于传统火力发电和内燃机的效率，同时也避免了二氧化碳和其他有害污染物的排放，具有良好的环保效益。
2. 高效、高响应速度质子交换膜是一种具有良好导电性的材料，因此质子交换膜燃料电池具有响应速度快、启动容易的特点。
相比其他类型的燃料电池，如固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)，它的运行温度较低，一般在80℃ ~ 100℃之间，因此也具有更快的响应速度。
3. 轻量化、小型化质子交换膜燃料电池的体积小、重量轻，具有优异的可携带性，市面上已经出现了很多便携式燃料电池产品。
另外，由于其不需要传统的机械传动装置，因此没有噪音和震动，具有良好的环境适应性。
质子交换膜燃料电池的优缺点优点1.环保、高能量利用率：质子交换膜燃料电池能直接将化学能转化为电能，不需要燃烧，因此不会产生二氧化碳、氮氧化物等有害物质的排放，同时具有高能量利用率。
2.适用范围广：质子交换膜燃料电池的运行温度不高，仅在80℃ ~100℃之间，因此不需要长时间的预热，启动容易，同时运行适应性也较高。
3.轻量化、小型化：质子交换膜燃料电池体积小、重量轻，具有优异的可携带性，适用于便携式和移动设备的能源供应。
缺点1.能量密度较低：质子交换膜燃料电池的能量密度较低，需要较大的体积才能提供足够的能量，因此在大功率、长时间供能方面相对不足。
2.易受污染物影响：质子交换膜燃料电池的质子交换膜极易受到污染物的影响，例如二氧化碳、一氧化碳和硫化氢等，这些物质会降低电池的效能，甚至导致燃料电池失效。
3.制造和成本高：质子交换膜燃料电池的制造和维护成本较高，对材料和技术有一定要求，目前仍处于高成本阶段。
质子交换膜燃料电池关键材料
质子交换膜燃料电池关键材料质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一种将氢气和氧气通过化学反应转化为电能的设备。
与其他类型的燃料电池相比，PEMFC 具有高效率、快速启动速度、低温操作等优点，使其成为目前商业化应用最广泛的燃料电池技术之一作为 PEMFC 的关键部件之一，质子交换膜在其正常运作中扮演着重要的角色。
质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）是一种高分子材料，具有良好的质子传导性能和选择性，能够实现高效的质子传输，同时阻隔氢气和氧气的混合，从而确保燃料电池的正常运作。
1.质子传导性能：质子交换膜需要具有高质子传导速率，以确保电池能够快速响应负载变化，并提供稳定的输出功率。
2.耐久性：质子交换膜需要具有长期的稳定性和耐久性，能够在高温、高湿以及电化学条件下保持结构稳定，以延长电池的使用寿命。
3.抗氧化性：质子交换膜需要具有良好的抗氧化性能，以防止氧化物和自由基对膜的损伤，从而保持膜的性能稳定。
4.温度和湿度适应性：质子交换膜需要在宽范围的温度和湿度条件下保持稳定的性能，以适应不同的工作环境和应用场景。
目前，常用的质子交换膜材料包括：1.氟化聚合物：氟化聚合物质子交换膜是最早被商业化应用的质子交换膜材料，具有良好的质子传导性能和稳定性。
然而，氟化聚合物质子交换膜受到温度和湿度的限制，只能在相对较低的温度范围内工作。
2.磺酸聚合物：磺酸聚合物质子交换膜是目前商业化应用最广泛的质子交换膜材料。
磺酸基团能够提供良好的质子传导性能，并具有较高的温度和湿度适应性。
然而，磺酸聚合物质子交换膜在高温下容易失水，导致质子传导性能下降。
3.磷酸聚合物：磷酸聚合物质子交换膜具有较好的耐久性和热稳定性，能够在高温条件下保持较稳定的质子传导性能。
然而，磷酸聚合物质子交换膜的质子传导性能相对较低。
为了提高质子交换膜的性能，研究人员正在积极开展各种改性和复合技术。
质子交换膜燃料电池简介
质子交换膜燃料电池简介
什么质子交换膜燃料电池？
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种新型的可再生能源供电装置，它是基于可逆氢气电化反应的发电原理，以氢气和氧气为起始反应物，经过固定的质子交换膜(PEM)的电解质反应产生电能。
由于PEMFC具有轻质、高效、安全环保等优点，在移动动力、发电、车辆动力、储能等领域都具有较高的应用前景。
PEMFC的主要组成部分
质子交换膜燃料电池主要由挂架、质子交换膜、反应器（或称催化剂层）、氧还原催化剂、燃料催化剂和电极连接件等部分组成。
挂架主要是支撑组件，可以使整个结构更加稳定；质子交换膜的作用是进行质子的交换，使电荷分布均匀；反应器是固定在（PEM）上的组合催化剂，可以促进氢气和氧气的电解反应进而产生电能；氧还原催化剂的作用是将氧气还原为水；燃料催化剂的作用是将氢气氧化为水；电极连接件的作用是连接质子交换膜燃料电池的正负极，使电流不至于漏出。
PEMFC的工作原理
PEMFC的工作原理是PEM膜充当离子的交换桥，使形成的电荷均匀分布和传递，然后，氢气和氧气在催化剂上反应，产生电子和质子，质子穿过PEM膜进入正端，电子穿过外部电路进入负端，由此产生电流和动力。
反应化学方程式为：
2H2+O2=2H2O+4e-。
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• 由同济大学与国内五大整车厂合作生产、在上海世博园区示范运营的196辆燃料 电池汽车（含90辆燃料电池轿车、6辆燃料电池客车和100辆燃料电池观光车）， 自上海世博会开园以来连续运行5个月。其中，仅在园区内高架步道及北环路运 行的燃料电池观光车一种车型，已累计载客137万人次，总行驶里程达44万余 公里。
应用领域
电动汽车、移动 电子设备
电动汽车、公共 汽车
大型发电厂
小型固定供电 供热设备
中大型发电厂 宇宙飞船
质子交换膜燃料电池简介
质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称 PEMFC)，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
电解质
PEMFC 离子交换薄膜
DMFC 聚合薄膜
MCFC
PAFC
熔融碳酸盐 高温磷酸
SOFC 固态陶瓷
AFC 氢氧化钾
工作温度
80℃
60-130℃
650℃
200℃
1000℃ 60-90℃
电能转换率 40-60%
40%
45-60% 35-40% 50-65% 45-60%
功率
<250kw
<1kw
>200kw >50kw <200kw >20kw
2010年，全球燃料电池总出货量同比增长40%，达到了创历史记录的 23万套，其中，移动型燃料电池约占总出货量的95%。值得注意的是， 2010年全球销售的燃料电池中有超过97%使用的是PEMFC，即质子交 换膜燃料电池技术，该类型燃料电池被认为最适合应用于新能源汽车。
2007-2011全球燃料电池出货量（根据应用方式划分）
单位：千套
资料来源：Fuel Cell Today
2007-2011全球燃料电池发电功率（根据应用方式划分）
单位：MW
资料来源：Fuel Cell Today
2007-2011全球燃料电池出货量（根据地区划分）
单位：千套
资料来源：Fuel Cell Today
2007-2011全球燃料电池发电功率（根据地区划分）
体积小巧，燃料使用便利，洁净环保，可以用作移动电话和膝上型电 脑的电源，将来还具有为指定的终端用户使用的潜力；
其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃 料电池需要更多的白金催化剂。
燃料电池的优势
洁净、安全的发电装置 有害气体ＳＯx、ＮＯx及噪音排放都很低；积木化强，规模及安装地 点灵活，
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。
两电极的反应分别为：
阳极(负极)：2H2-4e=4H+
阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O
注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能传导质
子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外
0.1 164.7
2010 116.7
83.3 29.5
0.1 229.6
2011 144.8 104.4
36.3 0.1
285.6
2007 3.4 8.3 0.0 0.1 0.0 0.0
11.8
2008 12.3
5.4 0.0 0.0 0.0 0.0 17.7
2009 158.8
5.8 0.0 0.1 0.0 0.0 164.7
• 燃料电池汽车的工作原理是，使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大 气中的氧发生化学反应，从而产生出电能启动电动机，进而驱动汽车。甲醇、 天然气和汽油也可以替代氢（从这些物质里间接地提取氢），不过将会产生极 度少的二氧化碳和氮氧化物。燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2～3倍， 因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。
燃料电池的概念是1839年W.Grove提出的，至今已有大约160年的历史。 最近五年商业化发展非常迅速，在航空航天、交通运输、消费电子产 品及固定供电供热装置等领域有了很多成功运用。
目前燃料电池根据应用方式不同，分为三大应用领域类型：移动型 （Portable)、固定型(Stationary)、交通运输(Transport)
2008 5.0
23.0 22.8
0.3 51.1
2009 2.9
37.6 45.3
0.7 86.5
2010 5.8
41.2 42.6
0.4 90.0
2011 8.9
57.9 19.2
0.2 86.2
2007 10.6
0.3 1.4 0.7 24.1 0.0 37.1
2008 28.9
0.3 8.6 1.3 12.0 0.0 51.1
能量转化效率高 直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，不受卡诺效 率限制。。目前燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%， 而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。 多燃料系统、燃料热值高 可根据各种燃料电池的用途和条件选择使用最合适的燃料
负荷响应快，运行质量高 质子交换膜燃料电池工作温度低、启动快、结构简单、操作方便等
11.8
2008 13.3
3.6 0.8 17.7
2009 156.0
6.7 2.0 164.7
2010 219.8
7.4 2.4 229.6
2011 274.0
10.0 1.6
285.6
2007 6.9 3.0 1.8 0.1
11.8
2008 6.2 3.1 8.4 0.0
17.7
2009 79.5 63.3 21.8
单位：MW
资料来源：Fuel Cell Today
2010年全球各技术类型燃料电池发展状况
根据出货量划分
PEMFC：质子交换膜燃料电池 S O F C：固体氧化物燃料电池 A F C：碱性燃料电池
资料来源：Fuel Cell Today
根据发电功率划分
DMFC：直接甲醇燃料电池 MCFC：熔融碳酸盐型燃料电池 P AFC：磷酸盐型燃料电池
质子交换膜燃料电池 简介
目录
燃料电池的概念 燃料电池的分类 燃料电池的优势 燃料电池的发展现状 燃料电池汽车
燃料电池的概念
燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接 转化为电能的发电装置。
从结构上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能 “储电”，而是一个“发电厂”。电能转换效率一般为45%-60%，而 火力发电的效率一般在30%-40%。
2009 60.0
1.1 6.3 1.1 18.0 0.0 86.5
2010 66.4
1.1 7.9 6.7 7.7 0.2 90.0
2011 48.1
1.3 3.4 6.0 27.3 0.1 86.2
质子交换膜燃料电池应用
便携式燃料电池
每12克产品可以生产纯度
为99.999%的氢气121克，能满
起亚霸锐FCEV
在2008年洛杉矶车展上亮相的 起亚汽车的全新燃料电池电动 车型Borrego FCEV
这款起亚Borrego FCEV车型配有全新的氢燃料电池和450伏100千瓦电机， 最大功率为154马力。根据起亚汽车官方的报道，这款全新SUV 0到60英 里每小时的加速时间为12.8秒，最高时速为100英里每小时。起亚 Borrego FCEV车型装有10,000psi的氢气储藏罐，可以确保该款车型连续 行驶426英里。
燃料电池电堆照片
燃料电池结构示意图
直接甲醇燃料电池DMFC
属于质子交换膜燃料电池(PEMFC)中之一类，直接使用甲醇水溶液或 蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制 氢以供发电。
相较于质子交换膜燃料电池，直接甲醇燃料电池具备低温快速启动、 燃料洁净环保以及电池结构简单等特性。这使得直接甲醇燃料电池可 能成为未来便携式电子产品应用的主流。
通用Hy-wire
氢动三号
“氢动三号”是首款在日本 获得绿色商用牌照的燃料电 池车，也是首辆得到公路行 驶许可的液氢燃料电池汽车。 在所有获准在日本公路行驶 的燃料电池车中，“氢动三 号”以长达400公里的持续 行驶距离拔得头筹。
由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68升的氢气储存罐向燃料 电池组提供氢气。电池组所产生的电能输入电动机后，通过功率为60千瓦/82马力三相异步电 机驱动车辆行驶，并几乎不产生任何噪音。一次充气行驶里程分别可达400公里。
电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。
以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理
论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在
0.5～1V 之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负
载需要的燃料电池堆(简称电堆)。
燃料电池工作原理图
2010 222.8
6.7 0.0 0.1 0.0 0.0 229.6
2011 277.7
7.5 0.0 0.4 0.0 0.0 285.6
参考数据
发电功率（单位：MW） 应用类型 移动型 固定型 交通运输 合计
发电功率（单位：MW） 地区 欧洲 北美 亚洲 其他地区 合计