大学应用化工技术论文 精品文档格式.docx

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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

Energyandenvironmentisthemankindfacesanimportantsubject，consideringtherequirementsofsustainabledevelopment，theProtonExchangeMembraneFuelCell（PEMFC）technologyisattractingtheattentionofenergyworkers.Inthisthesis，theintroductionofprotonexchangemembranefuelcellcomposition，workingprinciple，thedevelopmentofkeytechnologies，domesticandinternationalsituationanditsapplicationprospects.Inthisthesis，abriefprotonexchangemembranefuelcellcomposition，characteristics，andhowitworksanditsProblemsandprospectsintheindustrialdevelopmentareoutlined.Detailfromtheprotonexchangemembranefuelcellprotonexchangemembranematerials，thetypeofelectro-catalyst，thebipolarplatematerialsandthedifficultiesofhydrogenstoragetechnologiesdiscussedprotonexchangemembranefuelcell，thekeytechnologies；

Atthesametime，fromtheprotonexchangemembranefuelcellR&

DStatusanditspowersourceinelectricvehicles，householdpower，decentralizedstationsandmilitaryfields，theapplicationtointroduce.

KeyWords：

Protonexchangemembranefuelcell;

Protonexchangemembrane;

Bipolarplate;

Electrocatalyst

目录

摘要I

绪论1

第1章质子交换膜燃料电池（PEMFC）的简介2

1.1质子交换膜燃料电池（PEMFC）概述2

1.2PEMFC的组成3

1.3PEMFC的工作原理8

第2章质子交换膜燃料电池的技术与发展10

2.1质子交换膜燃料电池的发展状况10

2.2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18

3.1质子交换膜燃料电池作为电动车动力源18

3.2质子交换膜燃料电池用作家庭电源和分散电站19

3.3质子交换膜燃料电池在军事领域的应用20

第4章展望21

4.1燃料电池产业化所面临的问题21

4.2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（ProtonExchangeMembraneFuelCell），简称PEMFC，也有人称之为聚合物电解质膜燃料电池（P01ymerE1ectrolyteMembraneFuelCell）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（IonExchangeMembrane），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%一60%。

（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（1~4A/cm2，0.6V），比功率高（0.1~0.2kw/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。

1.2PEMFC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。

1.2.1质子交换膜

质子交换膜（ProtonExchangeMembraneFuel，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（DowChemical公司）。

全氟磺酸型质子交换膜化学式为：

Nafion117m≥1，n=2,x=5～13.5，y=1000

Flimionm=0.1,n=1~5

Aciplexm=0.3,n=2~5,x=1.5~1.4

Dowmemenranem=0.6~2,x=3.6~10

这种膜的碳氟键结构对热和氧化具有稳定性，单电池电压为0.7V，电流密度为0.5A/cm2时输出功率约为20kw（100V，200A），电池寿命为50000h。

质子交换膜的导电性与其含水量关系很大，这与水在其中的传递机理有关。

Nafion系列膜具有体型网状结构，如图1-1所示，

图1-1Nafion膜结构示意图

其中有很多微孔，人们普遍用“离子簇网络结构模型”来描述这种结构。

可以把它分为3个区域：

（1）憎水的碳氟主链区；

（2）由水分子、固定离子、相对离子和部分碳氟高聚物侧链所组成的“离子簇区”；

（3）前两个区域的过渡区。

膜中-SO3H是一种亲水性的阳离子交换