燃料电池技术研究现状论文.docx

燃料电池技术研究现状论文摘要：介绍了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的结构、原理、特点及应用情况重点阐述了PEMFC的研究现状在此基础上探讨了PEMFC的发展趋势。关键词：质子交换膜燃料电池；双极板；电极；催化剂1质子交换膜燃料电池的结构及原理按照电解质的不同可将燃料电池分为磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等五类。PEMFC单电池由质子交换膜、气体扩散电极、双极板等构成图1是其结构与工作原理示意图。PEMFC的基本工作过程如下：（1）氢气通过双极板上的导气通道到达电池的阳极氢分子在催化剂的作用下解离形成氢离子和电子；（2）氢离子以水合质子H+（xH2O）的形式通过电解质膜到达阴极电子在阳极侧积累；（3）氧气通过双极板到达阴极后氧分子在催化剂的作用下变成氧离子阴、阳极间形成一个电势差；（4）阳极和阴极通过外电路连接起来在阳极积聚的电子就会通过外电路到达阴极形成电流对负载做功。同时在阴极侧反应生成水；（5）只要持续不断地提供反应气体PEMFC就可以连续工作对外提供电能。2质子交换膜燃料电池的特点（1）高效率。PEMFC以电化学方式进行能量转换不存在燃烧过程不受卡诺循环限制其理论热效率可达85-90%目前的实际效率大约是内燃机的两倍。传统动力源为了提高效率必须将负荷限制在很小范围内而PEMFC几乎在全部负荷范围内均有很高效率。（2）模块化。PEMFC在结构上具有模块化的特点可根据不同动力需求组合安装采用“搭积木”式的设计方法简化了不同规模电堆的设计制造过程。（3）高可靠性。由于PEMFC电堆采用模块化的设计方法结构简单易于维护。一旦某个单电池发生故障可自动采取适当屏蔽措施只会使系统输出功率略有下降而不会导致整个动力系统的瘫痪。（4）燃料多样性。PEMFC动力系统既可以纯氢为燃料也可以重整气为燃料。氢气的来源可以是电解水的产物也可以是对汽油、柴油、二甲醚等化石类燃料重整的产物。氢气的存储方式可以是高压气罐、液氢、金属氢化物等。（5）环境友好。当采用纯氢为燃料时PEMFC的唯一产物是水可以做到零排放。以重整气为燃料时相对于内燃机而言排放也极大降低。此外PEMFC噪声水平也很低各结构部件均可回收利用。3研究现状3.1关键部件电解质膜、双极板、催化剂及气体扩散电极是质子交换膜燃料电池的四大关键部件。电解质膜是PEMFC的核心部件它直接影响燃料电池的性能与寿命。1962年美国杜邦公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜1966年开始用于燃料电池其商业型号为Nafion至今仍广泛使用。但由于Nafion膜成本较高各国科学家正在研究部分氟化或非氟质子交换膜。双极板在PEMFC中起着支撑、集流、分割氧化剂与还原剂并引导气体在电池内电极表面流动的作用目前广泛采用的是以石墨为材料在其上加工出引导气体流动的流场基本流场形式有蛇形、平行、交指及网格状等。铂基催化剂是目前性能最好的电极催化剂为提高利用率铂以纳米级颗粒形式高分散地担载到导电、抗腐蚀的担体上目前广泛采用的担体为乙炔炭黑比表面积约为250m2/g平均粒径为30nm。PEMFC的气体扩散电极由两层构成一层为起支撑作用的扩散层另一层为电化学反应进行的场所催化层。扩散层一般选用炭材如石墨化炭纸或炭布制备应具备高孔隙率和适宜的孔分布不产生腐蚀或降解。根据制备工艺和厚度不同催化层分为厚层憎水、薄层亲水及超薄三种类型。3.2测控系统PEMFC的工作性能受多种因素（温度、压力等）的影响为确保PEMFC正常运行提高其可靠性和有效性就必须监测各个影响因素。即运用有效的措施来连续监测PEMFC运行的关键或重要状态并对收集到的信息进行必要的分析和处理以便做到故障预测和及时诊断为PEMFC管理系统提供依据。目前进行PEMFC测试系统相关方面研究的公司和机构众多但仍没有制定出有关PEMFC测试的国际标准和相应的标准测试设备不过已有实用的测试系统投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料电池测试站（FCATS）、美国Arbin公司的集成燃料电池测试系统（FCTS）是其中的突出代表。4质子交换膜燃料电池的应用质子交换膜燃料电池是目前各种燃料电池中实用程度较高的一类。其优越性不仅限于能量转换效率高、工作温度低还体现在其可在较大的电流密度下工作适宜于较频繁启动的场合。因此世界各大汽车生产厂商一致看好其在汽车工业中的应用前景PEMFC已成为