质子交换膜燃料电池论文

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昆明理工大学

质子交换膜燃料电池

摘 要

能源和环境是全人类面临的重要课题，考虑可持续发展的要求，在电池领域质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术正引起能源工作者的极大关注。本论文简单介绍了一下质子交换膜燃料电池的组成、特点及其工作原理。详细的从质子交换膜燃料电池的质子交换膜的材料、电催化剂的种类、双极板材料及其贮氢技术的困难方面论述了质子交换膜燃料电池的关键技术；同时从质子交换膜燃料电池的研发现状及其在电动车动力源、家庭电源、分散站和军事领域的应用做以介绍。

关键词：质子交换膜燃料电池；质子交换膜；双极板；电催化剂

ABSTRACT

Energy and environment is the mankind faces an important subject，considering the requirements of sustainable development，the Proton Exchange Membrane Fuel Cell（PEMFC）technology is attracting the attention of energy workers. In this thesis，the introduction of proton exchange membrane fuel cell composition，working principle，domestic and international situation and its application prospects. In this thesis，a brief proton exchange membrane fuel cell composition，characteristics，and how it works and its Problems and prospects in the industrial development are outlined. Detail from the proton exchange membrane fuel cell proton exchange membrane materials，the type of electro-catalyst，the bipolar plate materials and the difficulties of hydrogen storage technologies discussed proton exchange membrane fuel cell，the key technologies； At the same time，from the proton exchange membrane fuel cell R & D Status and its power source in electric vehicles，household power，decentralized stations and military fields，the application to introduce.

Key Words：Proton exchange membrane fuel cell; Proton exchange membrane; Bipolar plate; Electro catalyst

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昆明理工大学

引 言

能源是人类赖以生存发展的重要物质基础，也是国民经济发展的重要命脉，因而对人类及人类社会发展具有十分重要的意义。本论文主要只对质子交换膜燃料电池的组成及其工作原理做简单介绍，并就其中的几项关键组成做详细介绍：包括质子交换膜的特点，常用的质子交换膜及其国内外的研究状况；电催化剂的要求，催化机理及其催化剂的研究状况；质子交换膜燃料电池双极板的的特点及其材料的研究状况；质子交换膜燃料电池的贮氢技术及其面临的问题。

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1 质子交换膜燃料电池(PEMFC)概述

世界有关专家普遍认为，21世纪将是氢能世纪的开始。氢不仅可以通过化石燃料转换或生物制氢来得到，还可以通过核能发电、自然能（光能、风能、水能）发电、电解水，氯碱工业、钢铁工业的副产物等途径得到，而且是一种清洁能源。据日本预测，到2050年，日本对氢能的依存度将占总能源的20%，到2100年将上升到50 %以上，从这种意义上讲，在21世纪中期人类社会将步入“氢能社会”，在未来的以氢为中心的能源体系中，燃料电池技术将毫无疑问地成为其关键。其中质子交换膜燃料电池就是由此研究出的一项高新技术成果。

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)，简称PEMFC，也有人称之为聚合物电解质膜燃料电池(P01ymer E1ectrolyte Membrane Fuel Cell)还有一些其它的叫法。历史上最早称为离子交换膜燃料电池IEMFC(Ion Exchange Membrane)，现在基本没人使用这一名称。但最为常用的名称还是质子交换膜燃料电池，即PEMFC。质子交换膜燃料电池的主要特点是：

(1) 燃料来源广，既可使用纯氢，又可使用转化燃料。原料来源广泛，通过对石油、天燃气、煤炭还有沼气、甲醇、水植物等加工取得，来之不尽、取之不竭。

(2) 无污染，环境友好，因没有燃烧过程，不排放有害气体，它的排出物是氢氧结合的纯水，实现零排放( 无SO2、NO2，产物为H2O)。

(3) 无燥音。其发电过程是电化学反应过程，没有机械运动，所以没有噪音 (4) 高效节能，能源转换效率高。因其工作温度低，能耗少，能源转换效率理论上可高达80 % ，现在各国研制水平已达到50 %—60 % 。

(5) 可持续供电。质子交换膜燃料电池不是蓄能蓄电装置，而是一种发电装置，只要不断供给原料就可连续发电，而且电性能稳定。

美国(时代周刊) 把质子交换膜燃料电池评为21世纪即将改变人类生活的十大高科技之首。世界先进国家纷纷投入巨大人力、财力研制开发这一技术。质子交换膜燃料电池除上述特点外，其优点还有:

(1) 工作电流大( 1~4 A/ cm2，0.6 V) ，比功率高( 0.1~0.2 kw/ kg) ，比能量大； (2) 使用固体电解质膜，可以避免电解质腐蚀；

(3) 工作稳定可靠。常温下有80% 的额定功率，在低温( <100℃ ) 下运行； (4) 冷启动时间短，可在数秒内实现冷起动；

(5) 设计简单、制造方便，体积、重量小，便于携带。

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2 PEMFC的组成

电催化剂、质子交换膜、电极、双极板是PEMFC的重要组成部分，对PEMFC 性能和运行稳定性有着重要的影响。

2.1 质子交换膜

质子交换膜(Proton Exchange Membrane Fuel，PEM)是PEMFC的核心部件，PEM与一般化学电源中使用的隔膜有区别。 它不只是一种隔膜材料，也是电解质和电极活性物质( 电催化剂) 的基底，另外，质子交换膜还是一种选择透过性膜，主要起传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用，用作PEM的材料应该满足以下条件：

(1)良好的质子电导率；

(2)水分子在膜中的电渗透作用小； (3)气体在膜中的渗透性尽可能小； (4)电化学稳定性好； (5)干湿转换性能好； (6)具有一定的机械强度； (7)可加工性好、价格适当。

PEMFC曾采用过酚醛树脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜和全氟磺酸型膜等，研究表明全氟磺酸型膜是目前最实用的PEMFC电解质，其中最为流行的是Nafion膜(美国DuPont公司) 和Dow膜( Dow Chemical公司) 。

2.2 电催化剂及催化机理

2.2.1 PEMFC的电催化剂

在整个电极反应中不被消耗的物质对电极反 …… 此处隐藏：3076字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……