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1、河南机电高等专科学校毕业设计论文论文题目：质子交换膜燃料电池的发展与应用系 部： 电气工程系 专 业： 应用化工技术 班 级： 2009级01班 学生姓名： 王 瑞 英 学 号： 090316112 指导教师： 贾 丰 春 2012年5月5日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、特点及其工作原理并对其在产业化发展中所存在的问题及其前景作了概述。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
2、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
3、 of energy workers. In this thesis，the introduction of proton exchange membrane fuel cell composition，working principle，the development of key technologies，domestic and international situation and its application prospects. In this thesis，a brief proton exchange membrane fuel cell composition，charac
4、teristics，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 d
5、iscussed 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 memb
6、rane fuel cell;Proton exchange membrane;Bipolar plate;Electro catalyst目录摘要I绪论1第1章 质子交换膜燃料电池(PEMFC)的简介21.1质子交换膜燃料电池(PEMFC)概述21.2 PEMFC 的组成31.3 PEMFC 的工作原理8第2章 质子交换膜燃料电池的技术与发展102.1质子交换膜燃料电池的发展状况102.2质子交换膜燃料电池的关键技术12第3章 质子交换膜燃料电池的应用183.1 质子交换膜燃料电池作为电动车动力源183.2 质子交换膜燃料电池用作家庭电源和分散电站193.3 质子交换膜燃料电池在军事领域的应
7、用20第4章 展望214.1 燃料电池产业化所面临的问题214.2 质子交换膜燃料电池产业化展望21致谢23参考文献24绪论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。从世界经济发展的历史和现状来看，能源的消耗水平已成为衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志，能源问题对社会经济发展起着决定性的作用。正是因为能源如此的重要，大多数国家已经把能源的供应与国家的安全紧密联系在一起。然而，目前能源的使用现状却不容乐观。化石能源一直都是能源使用的主要部分，但是化石能源的短缺及化石能源的使用引起严重的环境污染和空气异常，可再生能源
8、的开发使用倍受世人瞩目，以氢能为代表的高效清洁能源越来越成为社会生存与发展的必然选择，其中，燃料电池以其自身丰富的优越性而雄踞21世纪高技术之首。燃料电池( FC)是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。它的最大特点是由于反应过程不涉及到燃料，因此其能量转换效率不受“卡诺循环”限制，其能量转换率高达60 % 80 %，实际使用效率则是普通内燃机的2倍。质子交换膜燃料电池( PEMFC)是作为继碱性燃料电池( AFC)、磷酸燃料电池( PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池( MCFC )和固体氧化物燃料电池(SOFC)之后发展起来的第五代燃料电池，由于采用了固态电解质高分
9、子膜作为电解质，因此具有体积小、启动快、能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点，另外它还具有燃料多样化、环境污染小、噪音低、可靠性及维修性好等优点，且对环境污染小，几乎不排放氮氧化物或硫氧化物，CO2 排放量也比常规发电厂少40% 以上，被公认为最有希望成为航天、军事、电动汽车和区域性电站的首选电源。 20 世纪末开始，国际上形成了一个PEMFC的开发热潮，使得PEMFC成为了目前世界上发展最为迅速的燃料电池。目前，我国也在大力发展PEMFC，以推动燃料电池汽车的商用化。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
10、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。本论文还针对质子交换膜燃料电池在各个领域和各个国家的应用现状及其产业化的前景做一下介绍。第1章 质子交换膜燃料电池(PEMFC)的简介1.1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
11、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
12、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 %一60 % 。(5) 可持续供电。
13、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( 14 A/ cm2，0.6 V) ，比功率高( 0.10.2 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( Pt 1Ru1 / C Pt 1W1 / C Pt1 Pd1 / C Pt/ C( 下标为质量之比)。
14、Parageorgopoulos D C等人发现在Pt- Ru中掺入原子百分比为20 at.%的Mo（钼），能够提高PtRu / C催化剂的抗CO性能。( 3) 铂- 氧化物及非铂系催化剂。周帅林等人研制出抗毒性和稳定性良好的Pt / - Al2O3催化剂。Attila Wootsch 等人制备了性能优异的Pt/CeO2 ，但是只适合运行温度在130 以下的PEMFC。Jong Won Park 等研制了Cu - Ce/-Al2O3和Cu- Ce- Co/-Al2O3电催化剂，并发现后者更适合做PEMFC的电催化剂。俄罗斯的Frukin AN Institute o f Electro che
15、mistry RAS的研究人员对非铂催化剂进行了比较系统的研究。2.2.2新型质子交换膜的研究PEMFC最早使用的质子交换膜是聚苯乙烯磺酸膜，但是由于它在电池操作条件下发生降解，使电池性能下降，因此限制了PEMFC的发展。自从20 世纪60年代末采用了美国杜邦公司开发的全氟磺酸质子交换膜( Nafion膜) ，由于它表现出优良的稳定性和高的质子传导率，使得PEMFC有了飞跃的发展，尽管它在性能和成本上存在着不足，至今仍被PEMFC普遍使用。在此之后，世界许多国家都相继开展了PEMFC用质子交换膜的研究开发工作，先后开发出多种全氟磺酸型膜材料，如美国Dow化学公司的Dow膜、日本旭硝子和旭化成公
16、司生产的Flemion膜和Aciplex膜，但是由于它们的价格较高，而限制了其大规格应用。为了进一步提高PEMFC的性能，加速它的应用开发，必须对质子交换膜进行改进，包括提高膜的离子交换容量、降低膜厚度以减小膜电阻、降低膜的制作成本等。解决上述问题的方法有两种: 一是减少全氟离子交换树脂的用量，采用将Nafion树脂与其它非氟材料结合制备复合膜（如Nafion/TiO2、Nafion/SiO2）的方法；二是开发新型抗氧化、低成本的膜材料。加拿大的Ecole Polytechniqe公司生产的NASTA、NASTHI、NASTAHTI系列膜，是将Nafion树脂与杂多酸及噻吩结合制得的共混膜，由
17、于杂多酸及噻吩的引入使得膜的电导和电导率都有所提高，膜的水吸收能力也比Nafion膜和Dow膜大，说明膜的化学性质发生了变化。加拿大的Ballard公司在新型质子交换膜方面做了大量的工作，其中BAM3G 膜是用取代的三氟苯乙烯与三氟苯乙烯共聚制得共聚物，再经磺化得到的部分氟化质子交换膜，这种膜的主要特点是具有非常低的摩擦阻力系数EW，高的工作效率，并且使BallardMK5单电池的寿命提高到15000h，成本也较Nafion膜和Dow膜低得多，更易被人们接受。非氟化烃类聚合物膜用于燃料电池的主要问题是它的化学稳定性，目前具有优良热、化学稳定性的高聚物很多，如聚苯撑氧、芳香聚酯、聚苯并咪唑等，因
18、此有许多人在研究如何将它们经过质子化处理用于PEMFC。例如，将价格低廉的工程树脂聚苯并咪唑( PBI)与无机酸掺杂，可以组成单相的聚合物电解质，由此方法制成的PBI/无机酸复合膜在高温时具有良好的电导率，质子在膜中的传递不携带水分子，这使电池可以在高温、低湿度气体条件下操作，简化了电池的水管理，同时由于使用温度可达190，解决了阳极催化剂抗CO中毒问题； 另外，这种膜还具有低的气体和甲醇渗透率，其甲醇渗透率约是Nafion膜的1/ 10，因此它可能是PEMFC的最佳候选电解质。此种膜的稳定性和寿命有待进一步研究和证实。用磺化奈型聚酰亚胺制得的膜( NaphtalenicPI膜) 其电化学性能与Nafion膜相近，氢气的渗透速率比Nafion膜小三倍，热稳定性好，此膜的燃料电池使用寿命已达3000h。由美国DAIS公司开发的磺化苯乙烯/ 乙烯- 丁二烯/ 苯乙烯三嵌段共聚物膜，磺化度在50 % 以上时，其电导率与Nafion膜相似，当磺化度为60 % 时达到电性能和机构性能平衡。2.2.3新型双极板
