质子交换膜燃料电池工作原理

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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 Exch

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PEMFC的原理及应用

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第 l 9卷第 2期Vb 1 . 1 9 NO . 2

粉末冶金材料科学与工程Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g o f Po wd e r Me t a l l u r g y

2 0 1 4年 4月Ap r . 2 0 1 4

质子交换膜燃料电池双极板用不锈钢的聚苯胺涂层改性江自然 1,肖海波，阳东方，刘宇尘，姚锐，郑峰，( 1 .中南大学材料科学与工程学院，长沙 4 1 0 0 8 3;2 .中南大学粉末冶金国家重点实验室，长沙 4 1 0 0 8 3 )

摘

要：将苯胺单体滴加到硫酸溶液中配制成电解液，采用恒电流法在 3 0 4不锈钢板表面沉积聚苯胺涂层，通过

动电位极化和恒电位极化分析不锈钢板的防腐性能，利用自制的导电性能测试设备分析涂层与不锈钢板的界面接触电阻，探讨聚苯胺涂层用于质子交换膜燃料电池双极板改性的可能性。结果表明，在优化工艺条件下制备的聚

苯胺涂层的腐蚀电位和腐蚀电流密度分别为 3 6 9 mV和 0 . 4 7 9￣ a/ c m2,与裸钢相比，腐蚀电位升高 5 3 6 mV,腐蚀电流密度降低 4个数量级。模拟质子交换膜燃料电池的实际

核燃料电池

火星机器人-好奇号用的就是核燃料电池，在地球上应用因为价格昂贵，

有污染，功率小等问题，还没有实用化。其实这个技术早有了,也叫“放射性同位素电池”，它是通过半导体换能器将同位素在衰变过程中不断地放出具有热能的射线的热能转变为电能而制造而成。

核电池已成功地用作航天器的电源、心脏起搏器电源。但这种电池利用

的是元素的天然放射性,不是聚变,不可能有大功率版，这应该是没有运用到火车轮船的原因。我觉得也可能美国政府担心，核燃料电池的普级，造核武器的将变得更容易，对世界安全没有好处。而现有的能源选择很多，世界能源也没有到了危机的时候。现在很多尖端设备都成功地应用了核燃料电池，如起搏器、太空卫星、水下作业系统等。

二战时的德国，就用“同位素在衰变”原理开发核能动力为主要目标（用

于潜艇可以长时间潜伏水下），却忽略的原子弹的研究。没能在1943年研造出原子弹，失去一个赢得战争决定性武器。

硬币大小的微型“核燃料电池”

近日，科学家向人们展示了硬币大小的微型“核燃料电池”。该电池利用

放射性同位元素的衰变产生能量。研究人员介绍，放射性物质衰变时，会释放带电粒子，如果能将这些粒子收集起来，便能产生电流。其实，由于核电池能量储藏相当丰富（它的电荷含量是一般标

核燃料电池

火星机器人-好奇号用的就是核燃料电池，在地球上应用因为价格昂贵，

有污染，功率小等问题，还没有实用化。其实这个技术早有了,也叫“放射性同位素电池”，它是通过半导体换能器将同位素在衰变过程中不断地放出具有热能的射线的热能转变为电能而制造而成。

核电池已成功地用作航天器的电源、心脏起搏器电源。但这种电池利用

的是元素的天然放射性,不是聚变,不可能有大功率版，这应该是没有运用到火车轮船的原因。我觉得也可能美国政府担心，核燃料电池的普级，造核武器的将变得更容易，对世界安全没有好处。而现有的能源选择很多，世界能源也没有到了危机的时候。现在很多尖端设备都成功地应用了核燃料电池，如起搏器、太空卫星、水下作业系统等。

二战时的德国，就用“同位素在衰变”原理开发核能动力为主要目标（用

于潜艇可以长时间潜伏水下），却忽略的原子弹的研究。没能在1943年研造出原子弹，失去一个赢得战争决定性武器。

硬币大小的微型“核燃料电池”

近日，科学家向人们展示了硬币大小的微型“核燃料电池”。该电池利用

放射性同位元素的衰变产生能量。研究人员介绍，放射性物质衰变时，会释放带电粒子，如果能将这些粒子收集起来，便能产生电流。其实，由于核电池能量储藏相当丰富（它的电荷含量是一般标

镁燃料电池的研究进展

摘要：镁燃料电池具有高比能量、安全和成本低等特点，在军事和民用方面有良好的应用前景。综述了各种镁燃料电池系统的工作原理，概括了近年来在镁阳极、阴极电催化剂与结构、电解质添加剂等方面的研究与进展。 关键词：镁燃料电池；镁阳极；阴极；添加剂

（1. Meilin chemical factory, Zunyi Guizhou 563003, China; 2. Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150001, China）

Abstract: Magnesium fuel cell has a favorable application potential in military and civilian fields because of its high energy density, safety and low cost. The working mechanisms of several kinds of magnesium fuel cell systems were summarized. In addition, the research

直接甲醇燃料电池研究进展

摘要: 介绍了直接甲醇燃料电池的工作原理、研究现状及最新进展, 认为直接甲醇燃料电池是目前较理想的燃料电池, 有广阔的发展前景。直接甲醇燃料电池(DMFC) 具有燃料易运输与存储、重量轻、体积小、结构简单、能量效率高等优点,以固体聚合物作为电解质的直接甲醇燃料电池是理想的车用动力电源,具有广阔的发展前景。

关键词:直接甲醇燃料电池;甲醇;渗透;膜;电催化剂

Performance study on direct methanol fuel cell

Abstract: Working principle, current research situation and latest progress of direct methanol fuel cell are introduced .Fuel cell of this kind is regarded as a perfect one so far, with bright prospects to be expected. Direct methanol fuel cells (DMFC) had several advantages including eas

燃料电池质子交换膜的研究进展

摘要：质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心组件。本文较详细地介绍了全氟

化质子交换膜，部分氟化质子交换膜，纳米复合质子交换膜，无氟化质子交换膜的性能及最新研究状况，最后提出质子交换膜的发展趋势。

关键词：质子交换膜；燃料电池；有机/无机纳米复合质子交换膜

质子交换膜燃料电池具有体积小、质量轻、功率密度高、启动快、无噪音、零污染等优点，具有及其广阔的应用前景, 尤其适合做电动汽车的动力源[1]。另外，还可以用于固定式发电系统，潜艇，军用、民用移动电源，城市洁净电站等方面。质子交换膜燃料电池由阳极、阴极、催化剂和质子交换膜等部分组成。质子交换膜是质子交换膜燃料电池的“心脏”， 它在燃料电池中的作用是双重的:一是作为电解质提供氢离子通道，二是作为隔膜隔离两极反应气体，防止它们直接发生作用。其性能的优劣直接影响着燃料电池的工作性能，因此对于质子交换膜材料的研究已经成为燃料电池研究工作中的热点之一。质子交换膜是燃料电池的技术关键，其性能的优劣直接影响着燃料电池的工作性能、成本和应用前景。因此，对于质子交换膜材料的研究已成为燃料电池研究工作中的热点之一[2]。

目前，无论是燃料为H2/O2 的PEMFC ，还是直接甲醇燃料电池

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固体氧化物燃料电池

燃料电池又叫连续电池，它在等温条件下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转变为电能

燃料电池的发电原理：阳极进行燃料的氧化过程，阴极进行氧化剂的还原过程，导电离子在电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。

燃料电池的工作方式：燃料电池的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时需要连续不断地向电池内输送燃料和氧化剂，排除产物和废热。

燃料电池的组成：

(1) 电极。为多孔结构，可由具有电化学催化活性的材料制成，也可以只作为电化学反应的载体和反应电流的传导体。

(2) 电解质。通常为固态或液态，但也有关于NH3 气氛中NH4Cl 电解质的研究。电解质的状态取决于电池的使用条件。

(3) 燃料。可以是气态(氢气等)或液态(甲醇等)，在极少数情况下也可以是固态(碳)。

(4) 氧化剂。选择比较方便，纯氧、空气或卤素都可以胜任，而空气是最便宜的。 燃料电池的特点：可长时间不间断地工作——这使燃料电池兼具普通化学电源能量转换效率高和常规发电机组连续工作时间长的两种优势。

高效——它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，其能量转化效率在40-60%；如果实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。

环境友好——以纯