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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国内外的发展概况做以介绍。

关键词：质子交换膜燃料电池 质子交换膜 双极板 电催化剂

Status of proton exchange membrane fuel cell research and progress

Abstract

Energy and the environment is an important issue facing humanity, consider the requirements of sustainable development in the battery field of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) technology is of great concern to energy workers. In this paper, a brief introduction about composition, characteristics and working principle of the proton exchange membrane fuel cell and gave an overview of its industrial development in the problems and prospects. Detail of the proton exchange material of proton exchange membrane fuel cell membrane, electrical difficult types of catalyst, the hydrogen storage material and the bipolar plates discussed technical aspects of the key operation of proton exchange membrane fuel cell; while the proton exchange membrane fuel cell research and development status and made to introduce the development situation at home and abroad.

Key Words: Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC); Proton exchange membrane; Bipolar plates; Electro-catalyst

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 质子交换膜燃料电池（PEMFC）的简介 1

1.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC）的概述 1

1.2 质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作原理 2

1.3 质子交换膜燃料电池（PEMFC）的组成 2

1.3.1 质子交换膜 2

1.3.2 双极板 4

1.3.3 电极 5

1.3.4 电催化剂 6

第二章 质子交换膜燃料电池的关键技术 8

2.1 新型质子交换膜的研究 8

2.1.1 全氟型磺酸质子交换膜 8

2.1.2 部分含氟质子交换膜 9

2.1.3 复合聚合物电解质膜 10

2.1.4 芳香型质子交换膜 11

2.1.5 P(AMPS-SR)质子交换膜 12

2.1.6 质子交换膜的制备方法 12

2.2 新型双极板的研究 14

2.2.1 石墨极板 15

2.2.2 金属极板 15

2.2.3 复合材料双极板 15

2.3 新型催化剂的研究 17

2.3.1 铂催化剂 17

2.3.2 铂合金催化剂 17

2.3.3 非铂系催化剂 18

第三章 目前燃料电池产业面临的问题 19

3.1 氢源问题 19

3.2 PEMFC本身成本问题 20

3.3 运行寿命问题 21

3.4 PEMFC催化剂稳定性问题 21

第四章 质子交换膜燃料电池的研究现状 23

4.1 质子交换膜燃料电池的整体现状及水平 23

4.2 关键部件的研究现状 24

4.2.1 催化剂研究现状 24

4.2.2 质子交换膜研究现状 24

4.2.3 电极研究现状 25

4.2.4 双极板研究现状 25

第五章 PEMFC未来展望 26

参考文献 28

致谢 30

第一章 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）的概述

质子交换膜燃料电池(PEMFC):是以离子交换膜为电解质,以Pt/C为催化剂、氢气或重整气为燃料、空气或氧气为氧化剂、工作温度一般在60～100℃的一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置,是一种高效节能、工作稳定、环境友好的理想发电装置。它不仅可用于建设分散电站,也特别适合作可移动电源使用,是电动车和不依靠空气推进潜艇的理想候选电源之一,是军、民通用的一种新型可移动动力源,也是利用氯碱厂副产物氢气发电的最佳候选电源。在未来的以氢作为主要能量载体的氢能时代,它将是最佳的家庭动力源。它是继碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)之后正在迅速发展起来的第五代燃料电池。

质子交换膜燃料电池的主要特点：

(1)高效节能,实际能量转化效率达40%～50%。

(2)工作电流大(1～4A.cm^{- 2} ,0.6V),比功率高(0.1～0.2kW/kg),比能量大。

(3)使用固体电解质膜,可以避免电解质腐蚀。

(4)工作稳定可靠,常温下有80%的额定功率。

(5)条件温和,可在低温下运行。

(6)冷启动时间短,可在数秒内实现冷起动。

(7)环境友好,实现零排放(无SO₂ ,NO₂ ,产物为H₂O),无噪音。

(8)燃料来源广,既可使用纯氢,又可使用转化燃料。

(9)设计简单、制造方便；体积小、重量轻,便于携带。

1.2 质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作原理

图1：燃料电池基本单元的组成示意图

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