燃料电池质子交换膜燃料电池详解
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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一、质子交换膜燃料电池原理1.氢气通道：氢气从阴极（负极）流入燃料电池，经过质子交换膜进入阳极（正极）。
2.氧气通道：氧气从阳极的气体通道进入阳极，与氢气发生反应生成水。
3.电子通道：质子交换膜只能允许质子通过，而不能传导电子。
因此，氢气中的电子通过外部电路流入阳极，与氧气发生氧化还原反应，产生电流。
4.燃料供应：燃料电池中常用的燃料是氢气，可以通过电解水或者化石燃料简化系统的供氢方式。
1.高效性：质子交换膜燃料电池具有高效率的能量转化能力，可以将氢气直接转化为电能，能量利用效率高达40%-60%。
2.清洁性：质子交换膜燃料电池的反应产物只有水，不产生任何污染物。
3.快速启动：质子交换膜燃料电池可以在数秒内达到额定功率输出，启动快速。
二、质子交换膜燃料电池的应用1.交通运输：质子交换膜燃料电池可以广泛应用于电动汽车、卡车和公交车等交通工具。
与传统的燃料发动机相比，燃料电池具有更高的能源转化效率和更少的环境污染。
2.能源储备：质子交换膜燃料电池可以作为能源储备设备应用于微型电网、家庭能源系统和太阳能/风能电力系统。
通过将电能转化为氢气存储，可以实现能源的高效利用和持续供应。
3.便携式设备：质子交换膜燃料电池可以应用于便携式设备，如手机、笔记本电脑和摄像机等。
相比于传统的锂电池，燃料电池具有更长的续航时间和更短的充电时间，可以满足现代社会对便携式设备的高能量需求。
4.航空航天：质子交换膜燃料电池也在航空航天领域得到了广泛应用。
由于航空航天领域对能源密度和轻量化的要求较高，燃料电池作为一种高效、清洁的能源转化设备，为航空航天提供了理想的能源解决方案。
总结：质子交换膜燃料电池是一种高效、清洁的能源转换设备，其工作原理是通过催化剂将氢气氧化为水并产生电能。
质子交换膜燃料电池具有高效性、清洁性和快速启动等特点。
其应用领域包括交通运输、能源储备、便携式设备和航空航天等。
随着清洁能源的需求不断增加，质子交换膜燃料电池有着广阔的发展前景。
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。
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
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。
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。
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
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。
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制备方法为：
将碳纸与碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液 (PTFE)进行憎水处理 用称重法确定浸入的PFTE量 将浸好PTFE的碳纸臵于温度330-340度的烘箱 内进行热处理
使得均匀分散在碳纸的纤维上 达到优良的憎水效果
2. 电极的分类及其制作
厚层憎水催化层电极
薄层亲水催化层电极 超薄催化层电极
质子交换膜燃料电池
Proton exchange membrane fuel cell-----PEMFC
主要内容
1
PEMFC分类及其工作原理
2
电极的分类及其制作 非氟聚合物质子交换膜
3
1. 质子交换膜燃料电池
氢氧燃料电池------- hydrogen oxygen fuel cell 直接甲醇燃料电池------- direct methanol fuel cell 直接乙醇燃料电池 --------direct ethanol fuel cell 直接甲酸燃料电池---------direct formic acid fuel cell
电 流 密 度 / mA.cm-2
400
600
800
1000
H2/H2+CO：双层电极性能优于传统厚层憎水电极
单催化层E2和双催化层E5电极性能比较（H2+50ppmCO）
1.0 0.9
双层 E5, H /50ppmCO
2
E2, H2/50ppmCO
单池电压 / V
0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0 200 400
PEMFC中催化剂电极的制备工艺：
多孔气体扩散电极 由扩散层和催化层组成 ----扩散层的作用是支撑催化层，收 集电流，并为电化学反应提供电子通道， 气体通道和排水通道 ----催化层则是发生电化学反应的场 所是电极的核心部分
电极扩散层一般
由碳纸或碳布制作 厚度为0.2-0.3mm
加入一定比例 憎水剂（粘结剂）和造孔剂
Pt/C电催化剂与 Nafion比例优化 Pt/C: Nafion=3:1（质量比） Pt/C电催化剂与造孔剂 （草酸氨）比例优化 Pt /C: (NH4)C2O4 = 1:1（质量比）
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
双层催化层电极
电极要求
高活性催化剂 质子通道 电子通道 反应气通道 生成水通道 热的良导体 一定机械强度 工作条件下稳定
降低 担持量 合理 分配
2.1 厚层憎水催化层电极
厚层憎水催化层电极工艺流程
四种传递通道
Pt/C 电催化剂 PTFE Nafion树脂 碳纸
Catalyst layer Commercial MEA, 0.4 mg Pt/cm2 15 nm thin-film Pt, 0.04 mg Pt/cm2
34 17
最大功率密度 Pt担量 5 ：3 10 ：1
50 33
真空溅射电极特点
极大减薄催化层厚度，Pt 担量显著降低
改善MEA内部电接触
催化层至膜的Nafion变化梯度大，不利于 Nafion膜与催化层粘合。电池长时间运行，电 极与膜局部剥离，增加接触电阻。
2.2 薄层亲水催化层电极
薄层亲水电极的制备工艺流程 （CCM, catalyst coating membrane ）
催化层内传递通道
Pt/C电催化剂 水传递 电子传递 质子传递 气体传递
E5：外层催化层：Pt－Ru/C
1.00 0.95
Pt 20％，Ru 10％
双层 单层
E2, H2 E5, H2
单池电压 / V
0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0 200
厚层憎水 （40μm） 内层催化层：Pt/C Pt 0.02 mg/cm2 亲水薄层（＜5μm） E2：Pt－Ru/C单层憎水催化层电极
燃料
氢氧燃料电池 直接甲醇燃料电池
anode
H2 CH3OH
electrolyte
电解液
cathode 氧化剂 空气/O2
O2 O2 O2 O2
H+
膜
直接乙醇燃料电池
直接甲酸燃料电池 未反应 燃料
CH3CH2OH
HCOOH
未反应 氧化剂
60-90oC
CO2
质子交换膜
( CF2 CF2 )n CF2 CF O (CF2 CF)mO CF2 CF2 SO3H CF3
制备全氟磺酸型质子交换膜，首先用聚四氟乙烯聚合制备 -SO2R → - SO3H 全氟磺酰氟树脂，最后用该树脂制膜
Dupont公司生产的Nafion系列膜，m=1， Dow公司试制高电导的全氟磺酸膜，m=0
优点：
具有高化学稳定性和高质子传导率
缺点：
需要很高的水含量才能有足够的导质子能力, 但 是由于其吸水能力有限, 需要连续对膜进行增湿, 增加了燃料电池系统设计的复杂性; 由于脱水, 很难在高于100度以上操作, 这限制了 电池性能进一步提高和余热的充分利用 用于直接甲醇燃料电池时, 甲醇渗透率过高 价格昂贵, 且含有氟元素, 降解时产生对环境有 害的物质
F-、H2SiF6、Na2SiF6、HF NaF、少量、预防龋齿，20世纪10大公 共健康成就之一 大量、生成不溶CaF2、低血钙症 4g NaF、0.2g Na2SiF6、致命
聚四氟乙烯：化学惰性、无毒。 260 oC以上、变性 350 oC 以上、分解
电催化剂
电催化：使电极与电解质界面上的电荷转移反应 得以加速的催化作用，是多相催化的一个分支。 特点：
以部分氟化或全氟磺酸型固体聚合物为电 解质 阳极以Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂涂覆在碳 纤维纸上，以氢或净化重整气为燃料 阴极以Pt/C为催化剂、空气或纯氧为氧化 剂，并以带有气体流动通道的石墨或表面 改性金属板为双极板
重整气，CO、～10-4 V/V 60-100oC、 ～ 10-6 V/V CO、Pt中毒失效
2.4 双层催化层电极设计
多孔介质中的传质速度：H2 ＞ CO，
Pt-Ru/C电催化剂上的吸附：CO ＞ H2
1.气体扩散层
2.外层催化层：Pt－Ru/C
厚层憎水 氧化 CO/H2 3.内层催化层：Pt/C
亲水薄层 氧化纯H2
4.Nafion膜
阳极复合催化层结构
单催化层E2和双催化层E5电极性能比较（纯氢燃料）
催化层厚度薄，Pt担量降低
催化层内无疏水剂，气体传质能力低
尽量减薄催化层厚度
2.3 超薄催化层电极
Pt 催化层厚
度 < 1 μm， 一 般 为几十纳米。
真空等离子体溅射示意图
真空溅射电极与普通电极性能比较
干燥氢、氧(0.1MPa);膜、Nafion 115；电池温度室温
Power density at 0.6V (mW/cm2) Max power density (mW/cm2)
在大电流密度放电时，减小了传质阻力 制备工艺复杂，制造成本较高，不适用于大批量生产 表面溅射的Pt层，增加了气体向催化层传递及排水阻 力 寿命与稳定性较差
不同催化层电极性能比较
厚层 薄层
厚层
薄层
E1:厚层憎水电极，厚40µ m，0.3mgPt/cm2 E3:薄层亲水电极，厚＜5µ m，0.02mgPt/cm2 厚层憎水与薄层亲水电极 以纯氢及53ppm CO/H2时的电池性能
PEMFC电催化剂的研发方向
降低铂的载量 提高铂的利用率 开发非铂高催化活性的催化剂 提高催化剂的抗CO中毒性能
H2的脱附、氧化
H2O的氧化分解
O2的还原峰 H+的还原、H2析出
电化学反应必须在适宜的电解质溶液中进 行，在电极与电解质的界面上会吸附大量 的溶剂分子和电解质，使电极过程与溶剂 及电解质本性的关系极为密切。这一点导 致电极过程比多相催化反应更加复杂。
非氟质子交换膜研究背景
全氟磺酸质子交换膜- Nafion
优点： 良好的化学稳定性； 较高的质子电导率； 缺点： 价格昂贵；500～800 $/m2 玻璃化温度较低不适合高温操作； F污染； 3000-5000 Yuan/m2
气体传递
水传递 质子传递
电子传递
Pt/C:PTFE:Nafion = 54:23:23（质量比） 氧电极Pt担量：0.3～0.5 mg/cm2 氢电极Pt担量：0.1～0.3 mg/cm2
厚层憎水催化层电极特点
传统工艺，技术成熟
大多采用催化层/扩散层憎水，利于生成水排出
采用PTFE做疏水剂，不利于质子、电子传导
PAFC：150-220oC高温、余热利用率高 100%磷酸、Pt催化剂
PEMFC存在的问题： 稳定性（寿命） 可用性（CO中毒） 成本问题（膜和催化剂）
开发性能优良、 价格低廉的膜材 料成为燃料电池 的主要研究方向
质子交换膜燃料电池的构造
如右图示一个单电池 质子交换膜 电催化剂 碳纤维纸扩散层
外电路
PEMFC工作原理
总反应：H2 + 1/2O2 外电路
2e 电解质 2e
H2O
膜 氢气
氧气
阳极
阴极
质子交换膜型PEMFC，反应式如下：
阳极反应： H2 2H++2e总反应： 1/2O2+2H2
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， 而电子通过外电路到达阴极，产生直流电。
非氟聚合物质子交换膜 的研究
非氟聚合物质子交换膜研究背景 非氟聚合物质子交换膜的分类 非氟聚合物质子交换膜的研究现状 非氟聚合物质子交换膜的发展趋势