质子交换膜燃料电池的工作温度(质子交换膜燃料电池的工作温度低于)

质子交换膜燃料电池系统有哪几个部分构成,各部分的作用是什么？

①质子交换膜  质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件，是一种厚度仅为50～180um的薄膜片，其微观结构非常复杂。它为质子传递提供通道，同时作为隔膜将阳极的燃料与阴极的氧化剂隔开，其性能好坏直接影响电池的性能和寿命。它与一般化学电源中使用的隔膜有很大不同，它不只是一种隔离阴阳极反应气体的隔膜材料，还是电解质和电极活性物质（电催化剂）的基底，即兼有隔膜和电解质的作用；另外，PEM还是一种选择透过性膜，在一定的温度和湿度条件下具有可选择的透过性，在质子交换膜的高分子结构中，含有多种离子基团，它只容许氢离子（氢质子）透过，而不容许氢分子及其他离子透过。

亚南膜电极参与了国家863计划《燃料电池应急备用电源中试规模的制造及运行》项目的研究开发，项目于2016年顺利通过国家科技部验收，

(a) PEMFC的基本结构

(b)质子交换膜燃料电池组的外观

图1 质子交换膜燃料电池的基本结构

质子交换膜燃料电池对于质子交换膜的要求非常高，质子交换膜必须具有良好的质子电导率、良好的热和化学稳定性、较低的气体渗透率，还要有适度的含水率，对电池工作过程中的氧化、还原和水解具有稳定性，并同时具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结合的性能。

质子交换膜的物理、化学性质对燃料电池的性能具有极大的影响，对性能造成影响的质子交换膜的物理性质主要有：膜的厚度和单位面积质量、膜的抗拉强度、膜的含水率和膜的溶胀度。质子交换膜的电化学性质主要表现在膜的导电性能（电阻率、面电阻，电导率）和选择通过性能（透过性参数P）上。

a．膜的厚度和单位面积质量。膜的厚度和单位面积质量越低，膜的电阻越小，电池的工作电压和能量密度越大；但是如果厚度过低，会影响膜的抗控强度，甚至引起氢气的泄漏而导致电池的失效。

b．膜的抗拉强度。膜的抗拉强度与膜的厚度成正比，也与环境有关，通常在保证膜的抗拉强度的前提下，应尽量减小膜的厚度。

c．膜的含水率。每克干膜的含水量称为膜的含水率，可用百分数表示。含水率对膜电解质的质子传递能力影响很大，还会影响到氧在膜中的溶解扩散。含水率越高，质子扩散因子和渗透率也越大，膜电阻随之下降，但同时膜的强度也有所下降。

d．膜的溶胀度。膜的溶胀度是指离子膜在给定的溶液中浸泡后，离子膜的面积或体积变化的百分率，即浸液后的体积（面积）和干膜的体积（面积）的差值与干膜的体积（面积）的百分比。膜的溶胀度表示反应中膜的变形程度。溶胀度高，在水合和脱水时会由于膜的溶胀而造成电极的变形和质子交换膜局部应力的增大，从而造成电池性能的下降。

质子交换膜燃料电池曾采用酚醛树脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜、聚三氟苯乙烯磺酸型膜和全氟磺酸型膜。研究表明，全氟磺酸型膜最适合作为质子交换膜燃料电池的固体电解质。虽然全氟磺酸膜具有良好的性能，但由于膜的结构、工艺和生产批量等问题的存在，到目前为止，质子交换膜的成本还非常高，因此需要寻找高性能低成本的替代膜。一个选择是使用全氟磺酸材料与聚四氟乙烯(PTFE)的复合膜，其中PTFE是起强化作用的微孔介质，而全氟磺酸材料则在微孔中形成质子传递通道。这种复合膜能够改善膜的机械强度和稳定性，而且膜可以做得很薄，减少了全氟磺酸材料的用量，降低了膜的成本，同时较薄的膜还改善了膜中水的分布，提高了膜的质子传导性能。另一个选择是寻找新的低氟或非氟膜材料。此外，还可以采用无机酸与树脂的共混膜，不仅可以提高膜的电导率，还可以提高膜的工作温度。

②电催化剂  催化剂是质子交换膜燃料电池中的关键性技术焦点所在。为了加快电化学反应速度，气体扩散电极上都含有一定量的催化剂。由于燃料电池的低运行温度，以及电解质酸性的本质，故应用的催化剂层需要贵金属。PEMFC电催化剂按作用部位可分为阴极催化剂和阳极催化剂两类。质子交换膜燃料电池的阳极反应为氢的氧化反应，阴极为氧的还原反应。因氧的催化还原作用比氢的催化氧化作用更为困难，所以阴极是最关键的电极。

对催化剂的要求是足够的催化活性和稳定性，阳极催化剂还应具有抗CO中毒的能力，对于使用烃类燃料重整的质子交换膜燃料电池系统，阳极催化剂系统尤其应注意这个问题。PEMFC电催化剂按照使用金属可分为铂系和非铂系电催化剂两类。由于质子交换膜燃料电池的工作温度低于100℃，目前只有贵金属催化剂对氢气氧化和氧气还原反应表现出了足够的催化活性．现在所用的最有效催化剂是铂或铂合金催化剂，它对氢气氧化和氧气还原都具有非常好的催化能力，且可以长期稳定工作。由于这种电池是在低温条件下工作的，因此，提高催化剂的活性，防止电极催化剂中毒很重要。

以铂或铂合金作为催化剂的主要问题是成本太高，由于Pt的价格高、资源匮乏，使得质子交换膜燃料电池的成本居高不下，限制了大规模的应用，需要进一步降低铂的载量。一种方法是寻找新的价格较低的非铂，非贵金属催化剂；另一种方法是改进电极结构，有效利用铂催化剂，提高Pt的利用率，减少单位面积的使用量。

以铂或铂合金作为催化剂的另一个主要问题是其毒化问题。铂催化剂因极富活性而提供了优异的性能。该催化剂对一氧化碳和硫的生成物与氧相比有较高的亲和力，这种毒化效应强烈地制约了催化剂的高度活性，并阻碍了扩展到其中的氢或氧．使得电极反应不能发生，燃料电池性能递减。若氢由重整装置提供，则气流中将含有一些一氧化碳，或吸入的空气因来自被污染城市而含有一氧化碳，这都会造成毒化问题的产生。由一氧化碳引起的毒化是可逆的，但它增加了成本，且各个燃料电池需要单独处理。

③电极  质子交换膜燃料电池的电极是一种典型的多孔气体扩散电极，一般由气体扩散层和催化层构成。扩散层是导电材料制成的多孔合成物，起着支撑催化层、收集电流的作用，并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道。催化层是进行电化学反应的区域，是电极的核心部分，其内部结构粗糙多孔，有足够的表面积以促进氢气和氧气的电化学反应。电极制作的好坏对电池的性能有重要影响。

扩散层一般以多孔炭纸或炭布为基底，并经聚四氟乙烯(PTFE)和炭黑处理后构成的，厚度约为0.2～0.3mm。在扩散层中，被PTFE覆盖的大孔是憎水孔，未被PTFE覆盖的小孔是亲水孔。反应气体通过憎水孔传递，而产物水则通过亲水孔排出。制备扩散层的关键是如何实现憎水孔和亲水孔的合理分布。一个好的气体扩散电极应同时具备适度的亲水性和憎水性，以保证催化剂发生作用的最佳湿化环境，同时让反应生成的水及时排除，以免电极被淹。

催化层可以分为常规憎水催化层、薄层亲水催化层和超薄催化层。早期的催化层是常规的憎水催化层，厚度超过50um，主要是将铂黑或碳载铂催化剂和PTFE微粒混合后，经丝网印刷、涂布和喷涂等方法涂覆到扩散层上并经热处理制得．催化层中的PTFE提供了气体扩散通道，而催化剂则为电子和水的传递提供了通道。但是这种催化层质子传导能力较差，性能不高。后来，为了改进这种催化层的质子传导能力并增加催化剂、反应气体和质子交换膜三相界面的面积，又研制了薄层亲水催化层和超薄催化层。

燃料电池的主要类型

按其工作温度的不同，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。

按燃料的处理方式的不同，可分为直接式、间接式和再生式。直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型。间接式的包括重整式燃料电池和生物燃料电池。再生式燃料电池中有光、电、热、放射化学燃料电池等。按照电解质类型的不同，可分为碱型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸盐型、固体电解质型燃料电池。

碱性燃料电池

碱性燃料电池（AFC）是第一个燃料电池技术的发展，最初由美国航空航天局的太空计划，同时生产电力和水的航天器上。AFCS继续使用NASA航天飞机上的整个程序中，除了数量有限的商业应用。

由于这些细胞的化学反应发生率比较高的燃料，电力的转换效率，在某些应用中高达60%。

血糖燃料电池

美国麻省理工学院的工程师最新研制一种微型电池原型，从人体自然血糖分子中产生电能。

这种电池将用于驱动治疗癫痫、瘫痪以及帕金森氏症患者的大脑植入器。据悉，当前植入人体的装置通常是由锂电池提供动力，但是这种电池使用时间非常有限，必须进行更换。再次进入人体组织更换电池并不是医生所喜欢做的事情，如果更换大脑植入器的电池就变得更加棘手了。

当大脑组织中的血糖分子流经铂催化剂，伴随其氧化过程，电子和氢离子将分离开来。在电池另一端，当氧分子与单壁碳纳米管接触时，与氢离子混合形成水，该电池最多可产生180微瓦功率的电能，足以驱动一个大脑植入器发送信号绕开受损大脑组织，或者刺激大脑组织(用于治疗帕金森氏症的方法)。

血糖电池是一个较早的概念，最早出现于上世纪70年代，2010年，法国科学家设计了一种类似的电池用于驱动起搏器。这种电池混合了石墨和酶，能够从血糖中分离电子。但这种电池的问题在于酶动力电池无法提供像锂电池一样的电能输出。 简称燃料电池类型 电解质工作温度

（℃） 电化学效率燃料、

氧化剂 功率输出AFC 碱性

燃料电池 氢氧化钾溶液 室温-90 60-70% -氢气、氧气 300W-

5KW PEMFC 质子交换膜

燃料电池 质子交换膜 室温-80 40-60% 氢气、氧气（或空气） 1KW PAFC 磷酸

燃料电池 磷酸 160-220 55% 天然气、沼气、双氧水、空气 200KW MCFC 熔融碳酸盐

燃料电池 碱金属碳酸盐熔融混合物 620-660 65% 天然气、沼气、煤气、双氧水、空气 2MW-

10MW SOFC 固体氧化物

燃料电池 氧离子

导电陶瓷 800-1000 60-65% 天然气、沼气、煤气、双氧水、空气 100KW

质子交换膜燃料电池运行温度为什么是80℃

额，氢燃料电池属于是一种质子交换膜燃料电池。

我弄了一段百科上的说明来，如下：

（1） 氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子。

（2） 氢离子穿过电解质（质子交换膜）到达阴极；电子则通过外电路到达阴极。电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。

（3） 在电池另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极；在阴极催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。

氢燃料电池中就应用了质子交换膜，这样可以提高效率，保证氢气和氧气完全反应（基本是完全反应）。

对了，我再补充一下，氢燃料电池的效率可达60%以上，而且现在已经有不采用贵金属铂的催化剂，还有，内燃机的效率要受卡诺循环的限制，所以其效率有一个上限而且总是很低。

----------——--——--——--——--——--第X次补充-——--——--——--——--——--——--——--—

对了，实际上质子交换膜燃料电池是一个大类，它包括氢燃料电池、甲醇燃料电池、磷酸燃料电池……

再弄一段百科上的说明：

按其工作温度的不同，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。

燃料电池有哪几种类型?

燃料电池的主要类型有：

1、SOFC

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接将燃料气和氧化气中的化学能转换成电能的全固态能量转换装置,具有一般燃料电池的结构。

2、RFC

氢燃料电池以氢气为燃料,与氧气经电化学反应后透过质子交换膜产生电能。氢和氧反应生成水,不排放碳化氢、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物,无污染,发电效益高。

3、DMFC

直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池通常称为直接甲醇燃料电池(DMFC)。膜电极主要由甲醇阳极、氧气阴极和质子交换膜(PEM)构成。阳极和阴极分别由不锈钢板、塑料薄膜、铜质电流收集板、石墨、气体扩散层和多孔结构的催化层组成。

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高。

扩展资料：

燃料电池的优点有：

1、发电效率高

燃料电池发电不受卡诺循环的限制。理论上,它的发电效率可达到85% ～90%,但由于工作时各种极化的限制,目前燃料电池的能量转化效率约为40%～ 60%。

2、环境污染小

燃料电池以天然气等富氢气体为燃料时,二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上,这对缓解地球的温室效应是十分重要的。

3、比能量高

液氢燃料电池的比能量是镍镉电池的800倍,直接甲醇燃料电池的比能量比锂离子电池(能量密度最高的充电电池)高10倍以上。

4、燃料范围广

对于燃料电池而言,只要含有氢原子的物质都可以作为燃料,例如天然气、石油、煤炭等化石产物,或是沼气、酒精、甲醇等,因此燃料电池非常符合能源多样化的需求,可减缓主流能源的耗竭。

5、可靠性高

当燃料电池的负载有变动时,它会很快响应。无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行,它都能承受且效率变化不大。

参考资料来源：百度百科-燃料电池

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