質(zhì)子交換膜燃料電池

1、質(zhì)子交換膜燃料電池學(xué) 院： 材料科學(xué)與工程學(xué)院班 級(jí)： 13應(yīng)用物理組 員： 方毅、羅烈升學(xué) 號(hào)：0；1指導(dǎo)老師： 孫良良（博士）時(shí) 間： 2016年5月28日目錄PEMFC的結(jié)構(gòu)3PEMCD的工作原理3質(zhì)子交換膜4PEMC的優(yōu)點(diǎn)4PEMFC的應(yīng)用前景5PEMFC的發(fā)展概況6PEMFC的結(jié)構(gòu)質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，英文簡(jiǎn)稱PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)

2、。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。如圖1PEMFC的工作原理 圖1燃料電池本質(zhì)是水電解的“逆”裝置，主要由三部分組成，即陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)，如圖2。其陽(yáng)極為氫電極，陰極為氧電極。通常，陽(yáng)極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。兩極之間是電解質(zhì)。其工作原理如下： 1） 氫氣通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽(yáng)極 。 2）在陽(yáng)極催化劑的作用下，1個(gè)氫分子解離為2個(gè)氫質(zhì)子，并釋放出2個(gè)電子，陽(yáng)極反應(yīng)為：2H2-4e-=4H+ E= 0. 000 V。 3）在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達(dá)陰

3、極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為：O2+4H+4e-=2H2O E= 1. 234 V總的化學(xué)反應(yīng)為： 圖21/2 O2+ H2=H2O Ecell= 1. 234 V電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽(yáng)極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負(fù)載連續(xù)地輸出電能。質(zhì)子交換膜（PEM）在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使得質(zhì)子經(jīng)過膜從陽(yáng)極到達(dá)陰極，與外電路的電子轉(zhuǎn)移構(gòu)成回路，向外界提供電流，因此質(zhì)子交換膜的性能對(duì)燃料電池的性能起著非常重要的作用，它的好壞直接影響電池的使用壽命。迄今最常用的質(zhì)子交換膜（PEM）仍然是美國(guó)杜邦公司的Nafion質(zhì)子交換膜，具

4、有質(zhì)子電導(dǎo)率高和化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，PEMFC大多采用Nafion等全氟磺酸膜，國(guó)內(nèi)裝配PEMFC所用的PEM主要依靠進(jìn)口。但Nafion質(zhì)子交換類膜仍存在下述缺點(diǎn)：(1)制作困難、成本高，全氟物質(zhì)的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導(dǎo)致成本較高；(2)對(duì)溫度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作溫度為7090，超過此溫度會(huì)使其含水量急劇降低，導(dǎo)電性迅速下降，阻礙了通過適當(dāng)提高工作溫度來提高電極反應(yīng)速度和克服催化劑中毒的難題；(3)某些碳?xì)浠衔?，如甲醇等，滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的質(zhì)子交換膜。Nafion膜

5、的價(jià)格在600美元每平方米左右，相當(dāng)于120美元每千瓦（單位電池電壓為0.65V）。在燃料電池系統(tǒng)中，膜的成本幾乎占總成本的20%30%。為盡早實(shí)現(xiàn)燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用，降低質(zhì)子交換膜的價(jià)格迫在眉睫。PEMFC的優(yōu)點(diǎn)（1）能量轉(zhuǎn)化效率高。通過氫氧化合作用，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不通過熱機(jī)過程，不受卡諾循環(huán)的限制。（2）可實(shí)現(xiàn)零排放。其唯一的排放物是純凈水（及水蒸氣），沒有污染物排放，是環(huán)保型能源。（3）運(yùn)行噪聲低，可靠性高。PEMFC電池組無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，工作時(shí)僅有氣體和水的流動(dòng)。（4）維護(hù)方便。PEMFC內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單，電池模塊呈現(xiàn)自然的“積木化”結(jié)構(gòu)，使得電池組的組裝和維護(hù)都非常方便；也很

6、容易實(shí)現(xiàn)“免維護(hù)”設(shè)計(jì)。（5）發(fā)電效率受負(fù)荷變化影響很小，非常適合于用作分散型發(fā)電裝置（作為主機(jī)組），也適于用作電網(wǎng)的“調(diào)峰”發(fā)電機(jī)組（作為輔機(jī)組）。（6）氫是世界上最多的元素，氫氣來源極其廣泛，是一種可再生的能源資源，取之不盡，用之不絕。可通過石油、天然氣、甲醇、甲烷等進(jìn)行重整制氫；也可通過電解水制氫、光解水制氫、生物制氫等方法獲取氫氣。（7）氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用等技術(shù)目前均已非常成熟、安全、可靠。PEMFC的應(yīng)用前景一是用作便攜電源、小型移動(dòng)電源、車載電源、備用電源、不間斷電源等，適用于軍事、通訊、計(jì)算機(jī)、地質(zhì)、微波站、氣象觀測(cè)站、金融市場(chǎng)、醫(yī)院及娛樂場(chǎng)所等領(lǐng)域，以滿足野外供電、應(yīng)

7、急供電以及高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。PEMFC電源的功率最小的只有幾瓦，如手機(jī)電池。據(jù)報(bào)道，PEMFC手機(jī)電池的連續(xù)待機(jī)時(shí)間可達(dá)1000小時(shí)，一次填充燃料的通話時(shí)間可達(dá)100小時(shí)（摩托羅拉）。適用于便攜計(jì)算機(jī)等便攜電子設(shè)備的PEMFC電源的功率范圍大致在數(shù)十瓦至數(shù)百瓦（東芝）。軍用背負(fù)式通訊電源的功率大約為數(shù)百瓦級(jí)。衛(wèi)星通訊車用的車載PEMFC電源的功率一般為數(shù)千瓦級(jí)。二是可用作助動(dòng)車、摩托車、汽車、火車、船舶等交通工具動(dòng)力，以滿足環(huán)保對(duì)車輛船舶排放的要求。PEMFC的工作溫度低，啟動(dòng)速度較快，功率密度較高（體積較?。┮虼耍苓m于用作新一代交通工具動(dòng)力。這是一項(xiàng)潛力十分巨大的應(yīng)用。由于汽車

8、是造成能源消耗和環(huán)境污染的首要原因，因此，世界各大汽車集團(tuán)競(jìng)相投入巨資，研究開發(fā)電動(dòng)汽車和代用燃料汽車。從目前發(fā)展情況看，PEMFC是技術(shù)最成熟的電動(dòng)車動(dòng)力源，PEMFC電動(dòng)車被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是電動(dòng)車的未來發(fā)展方向。燃料電池將會(huì)成為繼蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動(dòng)力系統(tǒng)。PEMFC可以實(shí)現(xiàn)零排放或低排放；其輸出功率密度比目前的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率密度高得多，可達(dá)1.4KW/公斤或1.6KW/升。用作電動(dòng)自行車、助動(dòng)車和摩托車動(dòng)力的PEMFC系統(tǒng)，其功率范圍分別是300-500W、500W-2KW、2-10KW。游覽車、城市工程車、小轎車等輕型車輛用的PEMFC動(dòng)力系統(tǒng)的功率一般為10-60KW。公交車

9、的功率則需要100-175KW。PEMFC用作潛艇動(dòng)力源時(shí)，與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及閉式循環(huán)柴油機(jī)相比，具有效率高、噪聲低和低紅外輻射等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高潛艇隱蔽性、靈活性和作戰(zhàn)能力有重要意義。美國(guó)、加拿大、德國(guó)、澳大利亞等國(guó)海軍都已經(jīng)裝備了以PEMFC為動(dòng)力的潛艇，這種潛艇可在水下連續(xù)潛行一個(gè)月之久。三是可用作分散型電站。PEMFC電站可以與電網(wǎng)供電系統(tǒng)共用，主要用于調(diào)峰；也可作為分散型主供電源，獨(dú)立供電，適于用作海島、山區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)或新開發(fā)地區(qū)電站。與集中供電方式相比，分散供電方式有較多的優(yōu)點(diǎn)：（1）可省去電網(wǎng)線路及配電調(diào)度控制系統(tǒng)；（2）有利于熱電聯(lián)供（由于PEMFC電站無噪聲，可以就近安裝，PEMF

10、C發(fā)電所產(chǎn)生的熱可以進(jìn)入供熱系統(tǒng)），可使燃料總利用率高達(dá)80以上；（3）受戰(zhàn)爭(zhēng)和自然災(zāi)害等的影響比較??；（4）通過天然氣、煤氣重整制氫，使得可利用現(xiàn)有天然氣、煤氣供氣系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施為PEMFC提供燃料，通過生物制氫、太陽(yáng)能電解制氫方法則可形成循環(huán)利用系統(tǒng)（這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于廣大的農(nóng)村地區(qū)和邊遠(yuǎn)地區(qū)），使系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本大大降低。因此，PEMFC電站的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性均很好。國(guó)際上普遍認(rèn)為，隨著燃料電池的推廣應(yīng)用，發(fā)展分散型電站將是一個(gè)趨勢(shì)。PEMFC的發(fā)展概況PEMFC研究開發(fā)領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)是加拿大的Ballard能源系統(tǒng)公司。1989年，該公司在加拿大國(guó)防部資助下，從美國(guó)國(guó)防部購(gòu)買了

11、燃料電池技術(shù)。經(jīng)過十多年的研究開發(fā)，成功地研制出了多種系列的PEMFC。1994年以來，Ballard公司先后與奔馳、大眾、通用、福特、豐田、日產(chǎn)等著名汽車公司合作，開發(fā)出多種PEMFC汽車。 從1997年起，Ballard公司與奔馳、福特等公司共同投資建立了PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)公司，在溫哥華和多倫多，年產(chǎn)20萬(wàn)臺(tái)電動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的兩個(gè)生產(chǎn)企業(yè)已在建設(shè)之中，計(jì)劃2003年把PEMFC電動(dòng)車正式推向市場(chǎng)。Ballard公司還與美國(guó)、法國(guó)的大型供電公司共同投資組建了合資企業(yè)，生產(chǎn)250KW級(jí)分散型PEMFC電站設(shè)備。這些公司的建立標(biāo)志著PEMFC氫能源系統(tǒng)已走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入了加速產(chǎn)業(yè)化的階段。在美國(guó)，Pl

12、ug-Power、H-Power等公司生產(chǎn)的以天然氣為燃料的510KW PEMFC小型電站已經(jīng)投放市場(chǎng)，這種電站適用作家庭電站、應(yīng)急電源、不間斷電源。 除美國(guó)、加拿大外，日本、德國(guó)、英國(guó)、意大利、俄羅斯等國(guó)以及一些著名跨國(guó)企業(yè)也加入了研制PEMFC系統(tǒng)和PEMFC電動(dòng)車的行列。自2000年下半年石油價(jià)格問題引起各國(guó)嚴(yán)重關(guān)注以來，發(fā)達(dá)國(guó)家（特別是美國(guó)）都大大加強(qiáng)了對(duì)燃料電池技術(shù)商業(yè)化的投入，僅美國(guó)能源部的研究經(jīng)費(fèi)預(yù)算就超過1億美元，大大超出前一年度的預(yù)算；而且，研究重點(diǎn)具有明顯的產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)向，如：相關(guān)材料部件，應(yīng)用開發(fā)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境配套，發(fā)展戰(zhàn)略，市場(chǎng)策略等。 在我國(guó)，PEMFC和電動(dòng)車被列入“九五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，氫能的規(guī)模制備、儲(chǔ)運(yùn)及相關(guān)燃料電池的基礎(chǔ)研究”也已入選2000年“國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目”。PEMFC電動(dòng)車還被列為面向產(chǎn)業(yè)化的國(guó)家“十五”“