质子交换膜燃料电池PEMFC的原理及应用

质子交换膜燃料电池PEMFC的原理及应用

第!/卷第’期天津理工学院学报U45-!/Z4-’%""!年.月9:;<=5>:?@A5=9A=A=B@A@;@C:?@CDE=:>:FG[6J;-%""!"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""

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质子交换膜燃料电池（()*+,）的原理及应用

梁宝臣!，田建华%

（!-天津理工学院生物与化学工程学院，天津’""!.!；

%-天津大学化工学院，天津’"""/%）

摘要：简述了质子交换膜燃料电池的工作原理；质子交换膜燃料电池是最具商业前景的电动汽车用绿色能源，在航天领域、潜艇、电动车、电站等领域具有广泛的应用前途-关键词：质子交换膜燃料电池；膜电极；质子交换膜中图分类号：0*..!1#2

文献标识码：3!

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燃料电池（+F65,655）是一种新型的能量转换装置，其通过燃料（如O%）的电化学氧化和氧化剂（如P%）的电化学还原直接产生电流-燃料电池与一般的原电池、蓄电池不同，它所需的电极反应活性物质并不贮存于电池内部，而是由电池外部供给-从理论上讲，只要外部连续地供给燃料，燃料电池也就可以不断地输出电能-由于燃料电池发电不经过燃烧过程（即燃料电池不是一种热机）不受卡诺循环的限制，不仅具有

［!］

很高的能量转换效率（理论上可大于2"Q），而且发电过程不会造成环境污染-所以燃料电池

染、无腐蚀、寿命长（可达2"""=以上）；其工作电流大（"1R3S<B%T%1"3S<B%，"1&U），比功率高（"1&VWSAB’T!1"VWSAB’），电解质是一种固体膜，不怕震动，冷启动快，工作温度低（一般为&"XT!""X）-使其成为电动汽车的理想能源，亦可作为军用、民用便携式电源-具有十分广阔的应

［%$&］

用前景-正在成为世界各国的研究热点之一-

!()*+,工作原理

()*+,的工作原理如图!所示：

()*+,单体电池由膜电极装置（*6BLI@>6

被公认为%!世纪最有前途的清洁能源-燃料电池种类繁多，性能各异，其中质子交换膜燃料电池（(I4;4>)K<=@>76*6BLI@>6+F65,655，()*+,）具有以下一些独特的优点：无噪声、零污

!收稿日期：%""!$"R$"%

，双极板和密封垫片Y)56<;I4A63EE6BL5?，*)3）

组成，呈三明治结构-膜电极很薄（厚度一般小于!BB），是在质子交换膜的两侧分别涂覆一定载量的铂基催化剂以及导电多孔透气扩散层（多

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采用碳纤维纸或碳纤维布）所组成，形成燃料电池的阳极和阴极!当电池工作时，膜电极内发生下列过程：（"）反应气体在扩散层内的扩散；（#）反应气体在催化层内被催化剂吸附并发生电催化反应；（$）阳极反应生成的质子在固体电解质（质子交换膜）内传递到对侧，电子经外电路到达阴极，同氧气反应生成水!电极反应为：

阳极（负极）：%#!#%&&#’(

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电池反应：%#&")#*#!%#*

反应物%#和*#经电化学反应后，产生电流；反应产物为水及少量热

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质子交换膜燃料电池PEMFC的原理及应用

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［7:］陈延禧3聚合物电解质燃料电池的研究进展［2］3

电源技术，788T，（7）：<;<7><W3

［79］衣宝廉3燃料电池现状与未来［2］3电源技术，

，9）：788=（<7W><<;3

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:实验数据

实验实时控制表明模糊控制调节比简单调节

器在相同的阶跃输入下有更快的响应速度，实时常数缩短，且控制量变化范围小，另外由图9可见模糊控制阶跃响应在实时优化参数，因此，上升段向上有微弱凹向，是非线性的，因此，特别适用于许多非线性系统

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质子交换膜燃料电池PEMFC的原理及应用

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的原理及应用

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

梁宝臣， 田建华

梁宝臣(天津理工学院生物与化学工程学院)， 田建华(天津大学化工学院)天津理工学院学报

JOURNAL OF TIANJIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY2001，17(3)5次

参考文献(15条)

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相似文献(10条)

1.期刊论文 张军.李勇辉.徐志斌.ZHANG Jun.LI Yong-hui.XU Zhi-bin 质子交换膜燃料电池CCM膜电极 -电源技术2008,32(9)

采用喷涂工艺制备了三合一(CCM,Catalyst Coated Membrane)型质子交换膜燃料电池膜电极,研究了分散剂、催化剂、质子交换膜对膜电极性能的影响.结果表明:CCM型膜电极的放电性能好于传统热压方法制备的膜电极;乙醇、异丙醇和乙二醇等水溶液分散剂对CCM膜电极中低电流密度区放电性能影响不大,而在高电流的浓差极化控制区乙二醇最佳,而乙醇最差;优化催化剂的Pt担量和阴极催化剂的用量能够显著提高膜电极的性能,而通过减小质子交换膜的厚度,降低膜的面电阻可以进一步提高膜电极的放电性能.

2.学位论文 朱阿玲 质子交换膜燃料电池自增湿膜电极的制备、结构与性能 2006

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高的功率密度和能量转换效率，最有可能成为电动车辆的动力源。但目前PEMFC的外增湿和内增湿系统不仅较为复杂，而且使得整个电池体系的体积庞大，从而大大降低了电池体系的体积比功率和重量比功率，使其在电动车辆领域的应用受到了限制。为了省掉电池体系的增湿系统和降低其成本，我们优化了膜电极的制备工艺和操作条件，采用传统的涂布技术制备了性能较好的自增湿膜电极来代替原有的增湿系统，从提高Pt的利用率出发，探索了以质子交换膜为催化层支撑体的膜电极的制备方法及其工艺条件，分别采用直接涂膜技术和转印技

质子交换膜燃料电池PEMFC的原理及应用

： 通过在阳极催化层中加入亲水性物质，采用传统的涂布技术制备了自增湿膜电极，对膜电极的制备工艺条件进行了优化，并对这些自增湿膜电极的电性能进行了较系统的考察。研究结果表明，减少质子交换膜的厚度可以提高自增湿膜电极的电性能，但开路电压有所下降；提高氧气压力有利于改善电池的电性能，当氢气压力为0.02MPa、氧气压力为0.3MPa时膜电极电池的电性能最好；阳极催化层中Nafion的最合适含量应是催化剂质量的2倍；阳极催化层中加入甘油、聚丙烯酸钠等亲水性物质可有效地增加膜电极的自增湿效果，加入量在满足自增湿要求的前提下越少越好。在压膜时，在模板和碳纸之间加入聚酯膜，可以改善碳纸背面易被破坏的情况，并可减少成型时间。当成型温度为130℃，成型压力为8MPa时，所装配的PEMFC单电池电性能最好。 采用直接涂膜技术制备了以质子交换膜为催化层支撑体的自增湿膜电极，并对膜电极的微观结构和电性能进行了较系统的考察。研究结果表明，将催化剂浆料直接涂布到膜上时，Nation膜会受溶剂影响而变形，但随着膜厚度的增加，变形减小；催化层中Nation的最佳含量为25wt.％；采用Pt质量分数为40％的催化剂可以制得的性能较好的MEA；当成型温度为120℃、压力为5MPa时，直接涂膜技术制备的膜电极的电性能最佳。 为了解决Nation膜受溶剂影响而变形的问题，我们还采用转印法制备了自增湿膜电极，比较了由不同方法制备的膜电极的电性能。研究结果表明，与由涂布法和直接涂布法制备的膜电极相比，由转印法制备的自增湿膜电极的电性能最好。当电池的电压为O.4v时，其功率密度最大，达到0.25W/cm<'2>。

3.期刊论文 原鲜霞.乔永进.庞志成.Yuan Xianxia.Qiao Yongjin.Pang Zhicheng 化学镀铂法制备质子交换膜燃料电池膜电极 -稀有金属2000,24(4)

用化学镀铂法制备质子交换膜燃料电池膜电极,提出了膜电极的微观结构模型及膜电极的化学镀铂机理.通过考察镀铂工艺对膜电极性能的影响,确定了化学镀铂法制备膜电极的最佳工艺条件:在 Nafion 117 膜的两侧先镀上一层铂,压上碳黑或碳载铂,然后用低浓度的与氯铂酸等浓度的肼溶液化学镀铂.

4.期刊论文 景粉宁.俞红梅.侯明.明平文.衣宝廉.JING Fen-ning.YU Hong-mei.HOU Ming.MING Ping-wen.YIBao-lian 质子交换膜燃料电池膜电极铂担载量分析测定 -电源技术2007,31(4)

膜电极组件(Membrane electrode assembly,MEA)是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部分,其催化层的铂含量与电池的性能和成本密切相关.通过直接处理MEA的方法得到测试样品,然后用三种方法(石墨炉原子吸收光谱、电感耦合等离子体原子发射光谱和极谱分析法)分别测定其铂含量.通过对比三种方法的测试结果和理论计算值,建立了一种准确、方便的膜电极处理和铂担载量测试方法来分析、评价PEMFC的关键材料--MEA.

5.学位论文 石肇元 质子交换膜燃料电池膜电极性能的研究 2006

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量密度、运行温度低和稳定性能好等优点,在航天领域、潜艇、电动车等领域有广泛的应用前景.为使PEMFC能够早日实现商品化生产,各国科研工作者正在致力于相关材料的研究,力图降低PEMFC成本,提高PEMFC的性能. 本文研究了采用1135膜制备膜电极的最佳热压条件以及最佳运行参数.设计和制作了一种新结构的质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极,其特点是催化层和扩散层之间建立水管理层(WML).研究了水管理层的组成和结构对膜电极性能的影响,包括PTFE含量以及分布,碳粉的种类,碳载量；研究了水管理层的制备工艺,包括烧结温度,烧结时间以及甘油的加入.用单体PEMFC的电流密度一电压曲线评价了膜电极在外增湿和不增湿操作条件下的极化特性.实验结果表明,采用优化后条件制备的有水管理层的膜电极,其在不增湿条件下的输出功率达到在外增湿条件下的90﹪左右. 在质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极的水管理层中加入造孔剂改善水管理层的孔结构,从而降低气体反应物的扩散传质阻力.本文研究了两种新型造孔剂,分别为低的热分解温度和适中的溶解度的NH<,4>HCO<,3>和具有高的分解温度和高的溶解度的(NH<,4>)<,2>SO<,4>作为造孔剂.实验结果表明,加入适量的

(NH<,4>)<,2>5O<,4>,可使膜电极的输出功率获得提高,尤其是在H<,2>/空气的条件下.在H<,2>/Air操作条件下的最大功率达到了在H<,2>/O<,2>条件下的50﹪左右.环境扫描电镜(ESEM)的测试结果表面,加入造孔剂后水管理层孔结构发生明显变化,孔率和孔径明显增大. 本文研究了催化剂中不同Pt含量对膜电极性能的影响.通过XRD,循环伏安以及膜电极工作性能测试结果表明,采用Pt含量为40﹪制备的膜电极性能略优于Pt含量为20﹪制备的膜电极.

6.期刊论文 朱科.陈延禧.韩佐青.张继炎.孙燕宝 质子交换膜燃料电池膜电极活化工艺及机理 -电源技术2002,26(4)

通过质子交换膜燃料电池膜电极三种活化工艺即恒流自然活化、恒流强制活化和变流强制活化的对比研究得出:强制活化(包括恒流强制活化和变流强制活化)优于自然活化;在强制活化工艺中,变流强制活化优于恒流强制活化;而且变流强制活化所用的时间相对于恒流强制活化及恒流自然活化均大大缩短,是一种比较好的活化方法;膜电极的活化过程不仅仅是一种质子交换膜的加湿过程,而且是一个包括电子、质子、气体和水的传输通道的建立以及电极结构的优化的复杂过程.

7.会议论文 周琛.刘军民.廖世军 直涂法制作质子交换膜燃料电池(PEMFC)中膜电极组件研究进展

膜电极组件(MEA)是PEMFC的关键部件,其制备方法可以分为两大模式,一类是把催化剂作用到气体扩散层上,然后与质子交换膜进行热压从而制得MEA;另一类是把催化剂直接作用到膜上,得到CCM(catalystcoatedmembrane).本文就直涂法制作质子交换膜燃料电池(PEMFC)中膜电极组件研究进展进行了论述.

8.学位论文 刘邦卫 质子交换膜燃料电池膜电极组成和性能研究 2005

本文研究了Pt/C催化剂的浸渍还原制备方法，通过对浸渍还原法的工艺进行优化，使所制备的Pt/C催化剂的性能得到明显改善。透射电镜(TEM)测试表明采用改进的浸渍还原法工艺所制备的Pt/C催化剂中Pt颗粒分散性好，粒径分布范围较窄((2.6～3.8nm)，Pt颗粒的平均粒径为

3.1nm，比表面积为90.5m2/g；X射线衍射(XRD)分析表明所制备的Pt/C催化剂具有较小的Pt-Pt晶面间距，这有利于氧的裂解吸附，进而提高对氧还原反应的电催化活性。通过单体PEMFC膜电极的电压—电流密度曲线评价了催化剂的性能，结果表明所制备的Pt/C催化剂的电催化性能略优于进口JohnsonMattheyPt/C催化剂。 在质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极的催化层中加入造孔剂以减小气体反应物的扩散传质阻力。研究了两种新型造孔剂，分别为低分解温度的NH4HCO3和高溶解度的(NH4)2SO4。实验结果表明，加入适量的造孔剂NH4HCO3，可使膜电极在H2/空气条件下的输出功率获得显著提高；加入适量的造孔剂(NH4)2SO4，可使膜电极大电流工作时的性能得到明显改善。环境扫描电镜(ESEM)的测试结果表明，造孔剂的加入使膜电极催化层的孔结构得到优化，更有利于传质过程的顺利进行和提高催化剂Pt的利用率。 研究了以Nafion1135为质子交换膜的膜电极制备工艺，并优化设计了气体扩散层的结构。扩散层由碳纸和负载在其上的含PTFE的碳黑组成，碳黑载量3mg/cm2时，膜电极性能最佳。初步研究表明，所制备的高性能膜电极具有一定的水调节能力，在反应气温度为25℃时，最大功率密度达到0.66W/cm2。

9.会议论文 冉洪波.沈泽刚.刘勇.聂明.魏子栋 质子交换膜燃料电池膜电极团簇模型与数值分析 2004

将质子交换膜燃料电池膜电极的Pt/C粒子、Nafion粒子和聚四氟乙烯(PTFE)粒子,用Monte Carlo方法随机的分布在立方网格中,相同种类的粒子在空间形成的连续的团簇可分为如4种情况,通过统计那些既有质子传输通道又有连续的电子通道和气体扩散通道的团簇中粒子占这类粒子总数的比例,计算该类粒子的利用率.本文运用C语言编写了模拟程序,实现了对膜电极催化剂利用率的统计.

10.期刊论文 刘向.郭振波.张伟.王东.钱斌.LIU Xiang.GUO Zhen-bo.ZHANG Wei.WANG Dong.QIAN Bin 质子交换膜燃料电池膜电极组件性能分析 -上海航天2007,24(2)

对由亲水电极与Nafion 112质子交换膜制备的质子交换膜燃料电池(PEMFC)膜电极组件(MEA),测试了工作温度、气体压力、气体相对湿度和气体流量等对MEA性能的影响.试验和分析显示MEA的适宜工作务件为:温度70℃、压力0.2～0.3 MPa、H2/O2或空气的相对湿度为100%/60%、H2/O2或空气流量计量比分别为1.1～1.2/1.2～1.5或2.0～2.5.在此条件下对MEA进行了1 000 h放电性能测试.结果表明,该MEA的结构和性能稳定,能满足燃料电池长寿命工作要求.

质子交换膜燃料电池PEMFC的原理及应用

1.姜炜.卫星.何雅玲.唐桂华.陶文铨 工作角度对燃料电池性能影响的实验研究[期刊论文]-工程热物理学报2007(06)

2.吕金艳 质子交换膜燃料电池用碳纤维纸的性能优化[学位论文]硕士 20063.王继月.陈启军 燃料电池堆控制系统的实现[期刊论文]-电子技术 2005(02)

4.吴玉厚.陈士忠.孙红.张勇 质子交换膜燃料电池的氧化剂实验性能[期刊论文]-沈阳建筑大学学报(自然科学版) 2004(04)

5.姚永海 燃料电池汽车商业化目标及发展策略研究[学位论文]硕士 2004

本文链接：/Periodical_tjlgxyxb200103006.aspx

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