质子交换膜燃料电池发展现状5篇
篇一：质子交换膜燃料电池发展现状
燃料电池概述及管状质子交换膜型燃料电池的现状
摘要：目前自然能源日益紧缺，环境保护现状不容忽视，直接甲醇燃料电池(DMFC)以其高效、环保、模块化、分布性强以及体积小、维护方便等特点而被认为是适应未来社会发展的一种绿色能源，并且越来越受到人们青睐。目前质子交换膜型燃料电池的膜电极制备主要有平板式聚合物电解质膜和圆管式聚合物电解质膜两种工艺。
关键词：燃料电池
管状
膜电极
能源需求和环境保护是21世纪全球面临的主要问题。能源是国民经济发展的动力，也是衡量综合国力、国家文明程度和人民生活水平的重要指标[1,
2]。当今经济的发展和人口的增长使得各种环境问题层出不穷，直接或间接影响生态平衡，影响人类的健康和生存，当前环境污染很大部分是由能源的生产和消费所致，如二氧化碳排放量的75%，二氧化硫排放量的85%，铅排放量的61%都是化石能源燃烧引起的。开发高效、洁净、环保的新能源越来越受到世界各国的高度重视。
燃料电池的概念、历史和研究意义
燃料电池是一种能量转换装置，在结构和能源转换方式上与一次电池、二次电池相似，都是由阴极、阳极和电解质组成，电子从参与化学反应的阳极经过负载从外电路到阴极，与通过电解质传递过来的离子结合，直接将还原剂和氧化剂的化学能转变为电能；在提供能源的连续性方面，与火力发电一样，只要不断地供给燃料和氧气，就能持续不断地产生电能。当它工作时，需要不间断地向电池内输入燃料和氧化剂并同时排出反应产物。从工作方式上看,它类似于常规的汽油或柴油发电机。因此，燃料电池与其它能源转换方式相比有很多优点：
能量转换效率高，一般在45％左右，如果在技术加以完善或综合利用，其效率可望达到60％以上；洁净、无污染、噪声低；模块结构，可搭建性强，适用于
各种功率的要求；体积小，机动性强，维护方便，生产周期短；不需要并网发电，分布性强，适用于边远、交通不便地区的供电。
从燃料电池发展的历史来看，它晚于其他化学电源，早于火力发电，1839年，Grove以铂带作为催化剂，以稀硫酸为电解质制作了人类历史上的第一个燃料电池装置。由于受蒸气机、内燃机发展的影响，燃料电池的研究与发展停滞了一个多世纪。20世纪60年代，美国宇航局（NASA）资助了一系列的研究合同，从事开发实用的燃料电池设计。1955年，通用公司的W.T.Grubb和L.Niedrach使用磺化的聚苯乙烯离子交换膜作为电解质，将铂存沉积在膜上，但是膜的电化学稳定性和导电性较差，在运行中发生了降解，寿命仅500小时。膜性能上的缺陷阻碍了聚合物固体电解质膜燃料电池在航天领域的进一步应用，上世纪70年代的石油危机引发了人们对燃料电池研发的兴趣，各国政府期望降低对石油进口的依赖性，开始寻找解决燃料电池大规模商业化障碍的方法。至80年代中期，军事需要推动了以质子交换膜燃料电池为代表的新一代燃料电池的研究，并取得了重要进展。如今，燃料电池被认为是锂离子电池的理想替代产品，已成为世界各国竞相开发的高科技项目。
管状质子交换膜型燃料电池的现状
制备管状燃料电池，要先作出管状膜电极，全氟磺酸膜本身的柔韧性能满足管状的要求。目前还没有商业化的管状质子交换膜，同时膜电极的扩散层采用柔韧性差的碳纸，这也阻碍了管状膜电极的研制。目前对于质子交换膜型燃料电池的膜电极制备主要有下面两种工艺。
2.1采用平板式聚合物电解质膜
胡里清采用在质子交换膜的两边涂上催化剂，直接获得膜电极，不用韧性差的碳纸作为扩散层和催化剂的涂敷层。然后膜电极与不透气的隔层一起卷成单层或多层卷筒型，隔层与隔层之间有两层膜电极，在相邻两层膜电极中间走燃料或氧化剂，膜电极与外层隔层之间走氧化剂或燃料。膜电极和隔层之间设有气体扩散载体，金属引线设在气体扩散载体上，由此构成卷筒型具有高功率密度的质子交换膜燃料电池[3]。
2.2采用圆管式聚合物电解质膜
日本KentaroIshida等人采用由Asahi生产的Flemion?管状膜制备微管状直接甲醇燃料电池，膜的内径为0.3mm，外径0.6mm，采用化学镀的方法在管状膜的外侧沉积Pt，具体方法是在管状膜的内部用注射器注满0.2MNaBH4+1MNaOH，管状膜的外部浸在0.1MH2PtCl6溶液中，当两种溶液在膜中渗透相遇时，化学镀就开始进行，时间控制在30分钟或1小时，然后管状膜的内部插入载有Pt-Ru催化剂的炭纤维。
单电池表观面积为0.4cm2，分别采用1M甲醇＋0.05M硫酸得到单电池的性能见图1。测试条件为室温和常压，其性能较低，原因在于采用化学镀的方法，当镀层连续时，催化剂的表面积要远远小于炭载铂或铂黑，当镀层连续性差时，阴极的电流收集困难，因此所得电池性能较差。
图1化学镀法制备管状电池性能曲线
美国自然科学公司（PSI）制造出微型管式膜电极，图2是单个膜电极的示意图，采用锥形金属扩散塞插入膜电极的内部与阳极接触。膜电极的外侧固定一个曲形环，管状单电池就组装完成。采用图3的结构进行多电池安装，把曲形环安装在集流板上，氢气走管的内部，氧气或空气走管的外部，这样就可以组装成电堆。
图2PSI管状膜电极结构示意图
图3组装电池组的示意图
在2003年9QinetiQ公司和Voller能源公司已经签署了生产小型管状燃料电池的协议，该电池的外观见图4，它是由四个单电池组成的电堆，当采用氢气为燃料时，单电池的功率可达到2W，单电池的长度为30mm，因此属于大尺寸的管状聚合物电解质膜燃料电池，但是该电池采用的膜没有说明，膜电极的制备方法也没有报道。在便携式电源方面，该电池的商业化前景一定会好于平板型燃料电池。这样燃料可以贮存在管的内部，只有在燃料不足时进行补加，取消了燃料供给的外围设备，外径采用多孔的不锈钢，可以进行空气自呼吸，减少了空压机的使用。
图4QinetiQ公司的管状质子交换膜燃料电池堆
毛宗强申请了列管式质子交换膜燃料电池的实用新型专利[4]，提出了列管式燃料电池堆的设计理念，见图5和图6，该结构的电堆具有下列优点：（1）结构简单，密封容易，（2）省去了气体分布板，成本降低，（3）气体分布均匀。
管状质子交换膜型燃料电池有希望克服目前平板型燃料电池的缺陷，加快燃料电池商业化步伐。简化外围设备，降低系统本身的能量消耗，燃料存放在管子的内部，就像一个普通的电池，只要及时补充燃料就可以连续供电，对于DMFC
不需要泵输送甲醇，采用空气自呼吸的方式，不使用空气压缩机。对于使用氢气的燃料电池，也可以将储氢材料放置在管的内部。
3小结与讨论
管状质子交换膜型燃料电池的研究刚刚开始，从膜电极材料的选择，到制备工艺，以及小型电堆的研制还有很多工作去做，在这个过程中也更容易出现新想法和新设计理念，所以专利的数量多于研究性论文。因此要制备出性能优良的平板型燃料电池，还是有很多技术上的难题需要解决：
⑴作为电极和催化剂涂敷的碳纸柔韧性差，不能进行任意弯曲，炭布的柔韧性很好，但是性能上要逊色于碳纸。
⑵目前虽然有管状质子交换膜产品的生产报道，但是由于使用范围有限和研究刚刚开始，规格和性能还不能满足不同用途的需要。
⑶膜电极的密封问题，由于质子交换膜遇水溶涨，所以密封粘结处容易开裂，造成阴阳极相互串气，影响电池长期运行的稳定性。
⑷管状燃料电池易于采用空气自呼吸，但是会带来排水问题，当电池工作在低温和湿度较大的环境下，阴极会被水淹从而带来电池性能下降。
参考文献
[1]衣宝廉.燃料电池—原理·技术·应用，北京：化学工业出版社，2003.
[2]曹广益.熔融碳酸盐燃料电池动态解析及控制研究[D].日本法政大学博士学位论文，日本法政大学，1999.
[3]胡里清.一种具有高功率密度的质子交换膜燃料电池[P].CN1398011A.
[4]毛宗强，阎军，何向明
列管式质子交换膜燃料电池CN2298604Y
篇二：质子交换膜燃料电池发展现状
质子交换膜燃料电池的发展现状
发布日期：2015-05-30来源:中国电池网
查看次数:1093作者：[db:作者]核心提示：
1雨口。
燃料电池尔，是种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过屯极反应直接转换成电能的装置。它的最大特点适山厂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的限制，其能量转换率高达6080，1雨口。
燃料电池尔，是种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过屯极反应直接转换成电能的装置。它的最大特点适山厂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的限制，其能量转换率高达6080，实际使用效率则是普通内燃机的2倍。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质子交换膜燃料电池，是作为继碱性燃料电池人阢磷酸燃料电池人阢熔融碳酸益燃料屯池况和叫体氧化物燃，电池60阢之后发展起来的第代燃料电池，由于采用了固态电解质高分子膜作为电解质，因此具有能量转换率高低温启动无电解质泄露等特点，也因此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。
2质子交换膜燃料电池的发展历史质子交换膜燃料电池的发展历史起源于20世纪60年代初美国的，公司为，研制的空间电源，采用的是况的，0，作为双子星座宇宙飞船的辅助电源，尽管，兀的性能现良好，但是由于当时该项技术处于起步阶段，仍存在许多问，如功率密度较低5，聚苯乙烯磺酸膜的稳定性较差，寿命仅为500左右；泊催化剂月叫太尊因此在以后的人也计划等空间应用中必人选用了当时技术比较成熟1962年美国杜邦公司开发出新型性能优良收稿日期20009收稿。
公司将其用于，而0使电池寿命大幅度延长。
但是由于怕催化剂用量太尚和膜的价格昂贵以及电池必须采用纯氧气作为氧化剂，使得厕冗的开发长时间是以军用为目的，限制了该项技术的广泛应用进入20世纪80年代以后，以军事应用为目发展。以美国加拿大和德国为首的发达国家纷纷投入巨资开展，碰阢技术的研究开发工作，使得厕兀技术日趋成熟。
20世纪90年代初期，特别是近几年，随着人们对日趋严重的环境污染问的认识加深，0灰技术的开发逐渐由军用转向民用，被认为是第代发电技术和汽车内燃机的最有希望的替代者。
3质子交换膜燃料电池的爻键技术，肫渌，类燃料电池结构类以，由1极，极和质子交换脱以及双极板构成。其中双极板起到传递气体和反应物的功能；阳极和阴极1载有电催化剂，燃料和氧化剂分别在此完成气体，和分隔燃料和氧化剂的功能。它们的结构和性能对，刚扣整体的性能起到了决定性的作用，因此围绕着这些部件开展的研宄设计工作也构成3.1高效新型电催化剂的研究电极催化剂是使燃料和氧化剂完成氧化和还原反应不可缺少的条件，目前，饕，捎，铀作为电催化剂，它对于两个电极反应都具有催化活性，而且可以长期使用，但是，由于钿的价格昂贵，资源匮乏，使，的成本居高不下，限制了其大规模应用。因此对于阴极催化剂研宄重点方面是改进电极结构，提高催化剂利用率另方面是寻找高效价廉的可替代贵金属的催化剂；对于阳极催化剂除了具有阴极催化剂的性能以外，还应具有抗中毒的能力。
目前中广泛采，作催化剂，屯极是根据1在20世纪80年代中后期开发出究，使聪电极的钔我故进步降低到13，2，1995年印度电化学能源研究中心采用喷涂浸渍法将钔载愿降至，坪⑴，性能，与，以，2我怕1的电极相当，最近，加大巴拉德公4宣布采用种
新工艺将铂哉量降为观尽管如此，为了进步提高电催化剂的活性，近年来对新型催化剂的研究工作日益，多，如对碳载铀的元元合金作为氧还原催化，的研，等，1；外由巧，所燃料的衫样朴，使得广采用重整气及液体燃料如甲醇或由它们提供，源时，在体积重量等方面较使用纯氢将会有更大温度在60100之间。在这样的温度0付丹金属是种非常强的毒物。重整气中般含有162的00，这将导致阳极催化剂因0中毒而失活，使1正，性能人幅度降低。即使足痕量4.因而4找抗，毒的方法成为质子交换股燃料电池研，的关键课。直接甲醇燃料电池，是直接以甲醇为燃料的质子膜燃料电池，由于采用液体甲醇为燃料，其应用前景更加广泛。
目前限制它发展的主要障碍之就是甲醇氧化中间物导致催化剂中毒及催化剂的活性不够，所以，提高阳极电催化剂活性，解决，中毒问对燃料电池的发展与实际应用将起重要的推动作用。
目前针对这方面的研宄工作主要集中在采用铂合金催化剂，它们可以在较低的电势下氧化，从而降低，对电极活性的影响，但它们的抗，能力和活性目前还不能满足要求，同时在电极上吸附另外种金属原子以及采用含活性氧的仙，3型金属氧化物作为催化剂的方法也在研究之中。
3.2新型质子交换膜的研究质子交换膜作为，刚冗的关键部件之，它不仅起到分隔燃料和氧化剂的作用，而且还是传导质子和电极活性物质的基底，质子交换膜的性能在很大6渡上反映了燃料电池的性能。
尸，冗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5从20世纪60年代农使电池性能下降，因此限制了，1的发展。
世纪60年代末采用了美国杜邦公司开发的优良的稳定性和高的质子传导率，使得，5，有了飞跃的发展，尽管它在性能和成本存在着不足，茧今仍被物1叱普遍使。
在此之后，世界许多国家都相继开展了碰兀用质子交换膜的研究开发工作，先后开发出多种全鼠，酸型膜材料如美国，化学公司膜和膨是由于它1的价格较高，而限制了其大规格应用。为了进步提高，男阅埽，铀偎，挠τ每匦攵灾首，交换脱进行改进。包括提高爪的离子交换容鼾。降低膜以度以，小膜电阻低膜的制作成木，解决上述问的方法有两种是减少全氟离子交换树脂的用量，采用将树脂与其它非氟材料结合制备复合膜的方法，是开发新型抗氧化低成本的股村料树脂与杂多酸及噻吩结合制得的共混膜，由于杂多酸及噻吩的引入使得膜的电导和电导率都有所提膜的水吸收能力也比膜和认膜大，说明膜的化学性质发生了变化，但其原理尚不清楚，另外，这种膜的强度稳定性等还有待探讨。
加拿大的山1；公4在新型质子交换脱方面做了大量的工作，先后研究开发出了，120和13脱，代6，脱是用取代的氟苯乙烯与氟苯乙烯共聚制得共聚物，再经，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胃，高的工作效率，并且使8，河15单电池的寿命提高到15受，它的确切化学组成和本征性能未公开报道。
氟化烃类聚合物膜用于燃料电池的主要问低氧分子与氢离子反应生成的202会使之发生化学降解。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聚徼亚胺聚砜聚酮等，因此有许多人在研究如何将它们经过质产化处理用厂，正0例如。将价格低廉的工程树脂聚苯并咪唑01与无机酸掺杂，可以组成单相的聚合物电解质，由此方法制成的电楼系数几乎为，即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，3中毒问；另外，这种膜还具有低的气体和甲醇渗透率，其甲醇渗透率约是沾，膜的05因此它可能是脎肌的最佳候选电解质此种膜的稳定性和，命有待进步研宄和证实。
用磺化奈型聚酰亚胺制得的膜1膜其电化学性能与财膜相近，氢气的渗透速率比，脱小倍，热稳记忭好，据报进，此膜的燃料电池使用寿命己达3000由美国，入6公司开发的磺化苯乙烯乙烯丁稀苯乙烯嵌段共聚物膜，磺化度在50以上时，其电导率与1膜相似，当磺化度为60时达到电性能和机构性能平衡，在60，时电池寿命为2500室温时为4000比它有希望用于低温燃料电池，农用磺化聚砜聚醚砜。聚柯，作为妨广交换膜材料的研究结果均有报道，其关键的问是它们的质子传导件和机械强度的平衡以及屯池的使用寿命。
3.3新型双极板与流场的研制与开发在，刚冗的运行过程中，需要用双极板来传递反应气体并排除反应生成物，它也是影响电池性能，尤其是影响电池功率密度和制造成本的另个重要因素。在，绯刈槟冢，挂，蠹，材料是电的良导体完成收集电流的作用和热的良导体利于排热，同时，由于燃料电池的工作环境中存在着酸或碱以及氧化和还原介质，所以要求双极板材料具有抗腐蚀能九如今广泛采用的双极板材料为无孔石墨抵正在开发面改性的金属板和复合型双极板。
由于石墨板制造和流场机械加工的工艺都很复杂。使得采用无孔墨板制造的双极板价格吊贵，如在巴拉德动力公开发的姐551的1邪1冗的成本中双极板费1到了6，7.采用金属作双极板，不仅易于批量生产，而且双极板的厚度可大大降低如可薄至13，能大幅度提高电池组的比能量与比功率，因此金属双极板己成为各国发展的重点，其关键技niwMummimm.术之是碟，瞻，的产生，保持接触电阻恒定，对这种面改性技术各个研究单位均高度保密。另外人们还开发出了薄金属板与有孔薄碳板组成的复合型双极板，它可以减少金属机加工双极板面改性的技术难度，适于极板大批产。
另外，上组装和运行脎阢屯池组的过程中，电池组的密封及代水热矜理技水等也是保证电池组成功运行的6键，4质子交换膜燃料电池技术应用开发随着对上述，砂技术关键1的研宄1作的不断深入，人们越来越沾楚地，到，该项技术己经接近实用化水平，低巢，祷，氖，场前期运作己经开始。
20世纪90年代以来，厕兀系统作为军民两用电源，展现出巨大的场潜力及广阔的应前景，其产业化既会带动传统工业的发展，又会增强国家的综合实力，各国政府倾力扶持，各大公司纷纷注资，其关注的焦点集中在Φ缙，乍1碰冗潜艇和虬级家庭电源，4.飞作为电动车动力源随着汽车工业的发展，汽车尾气对环境的污染越来越严重为保护环境。减少城市中的人气污染，适应世界各国越来越严格的汽车尾气排方文标准，世界各国政府尤其是大的汽车公司均在投资发展以口1为动力的屯动车刚电动车的样车实验己经证明，以质子交换膜燃料电池为动力的电动车性能完全可与内燃机汽车相媲美。当以纯氢为燃料时，它能达到真正的零排放。而当以车载甲醇重整器制氢为燃料时。车的气排放也能达到美内加利福1州制定的超低排放标准。因此，20世纪末国际上己形成了个燃料电池开发热潮。除各国政府投巨资支持这研究外，世界各大汽车集团和石油公士也投资并逃行各种形式的联介来发展这技术。如奔驰福特与加拿大8山31公司组成联盟，投资10亿加元开发生产电动汽车用燃料电池发动机；日本丰田与美国通用公司组成联盟开发燃料电池电动车；日本东芝公司与美国国际燃料电池公61双公司。西门子公司雷开发燃料电池电动车，本田已投资数亿美兀开发燃料电池电汽车加拿大在电动汽乍燃料电池研究中独赘头。在20世纪90年代初，加拿大的巴拉德动力公司与德国戴姆勒奔驰公利用巴拉德动力公司的祖5电池组组装出第1代以质产交换膜燃料电池为动力的电动车，考察以燃料电池为动力司又用513组装了200千瓦275马力电动车发动机，以高压氢为燃料。装备出20台试於1样年，其最高时速和爬坡能力均与柴油发动机样，并且其加速性能还优于柴油发动机。这结果进步推动了以燃料电池为动力的电动车的发展。
1999年开发出的心，314燃料电池电动车被评为当年底世界杰出科技成果。目前正在进行随1900电池组的工业化生产，以期能够制记电动车燃料电池标准，占领世界电动车燃料屯池发动机的市场。
成本己达到150贾，2004年达到50贾，从而商业化至今世界各人公宣布的以燃料屯池为动力制的以液态氢为动力的零排放氢动号燃料电池汽车在北京举行了技术交流和试驾试乘活动。
氢动号的驾驶操纵与普通的自动档汽车很相似。它加速快，操纵灵活。从0100公里加速仅为168，最尚时速可达140续驶里程400在我国，国家科技部和中国科学院在九计划19952000年冲安排了燃料电池技术攻关项目。以大连化物所为牵头单位。在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究。旨在开发具有自主知识产权的燃料电池技术。主攻质子交换膜燃料电池，目前以纯氢为燃料的5识6=3，1为动乃的中巴车，己于2001年1月成功运行，该电池堆整体性能相当于奔驰福特与加拿大巴拉德公司诺咨局，我，通驵趣盛蜻蔌碰弈益擂半，爨栳水平。该中巴车是我国第台真正意义上的燃料我国的环保能源及交通等领域产生深远的影响，电池驱动的电动汽车，拥有自主的知识产权，将对开辟了绿色动力的新纪元。
生产者电动车名称时间燃料贮存燃料供应混合动力类型戴姆勒克来斯勒汽车公压缩氢气压缩氢气直接甲醇重整液氢直接汽油重整蓄电池雷诺汽车公司液氧直接大众汽车公司甲醇重整蓄电池系列福特汽车公司压缩氢气直接通用汽车公司汽油重整蓄电池液氢直接尼桑汽车公司甲醇重整蓄电池马自达汽车公司金属氢化物超电容丰车汽车公司金属氢化物蓄电池甲醇重整蓄电池综上所述，目前国际上燃料电池电汽车技术己处厂商业化的前也阻碍燃料电池电汽个商业化的最大障碍目前有两个个是成本，另个是氢源。国际上正在开发燃料电池批量生产技米研制新电池材料，进步降低成本。可用氢源有两类类坫纯，如前所迅技术经成熟，运需要建立加氢站；另类是甲醇或汽车重整制氢，技术还需要进步完善。专家估计，燃料电池电汽车在20042005年可进入市场。在国内，在千瓦级质户交换膜燃，电池方面己基本完成实验审的研制，具备了产业化开发的能力，在国际上也产生了定的影响。但用于电汽车，才刚刚起步，还需耍逃步加强技术力，抓住这次开发绿色环保汽乍为我国来的千载难逢的机会，使我国的汽车产业赶上发达国家的水平，同时解决城市污染问斗正作家庭电源和分散电站前。尖1塔公勹1日本松下公勹介作。开发家庭0级的仰沉电源系统=加拿大83131公司从20世纪90年代起进行以天然为气源的，碰队屯站实验。目前251级的，屯站系统迪过寿命实验，250以级的电站正在进1实验5前景与挑战尽管冗具有高效环境友好等突出优点，似1前1在特殊场所应用和试用，若作为商品进入市场，必须大幅度降低成本使生产者和用户均能获利，即若作为电动车动力源，雨凡造价应能与汽车柴油发动机相比约501.芯作为各种便携式动力源。造价必须与各种化学电源相当。
尽管国际上主要汽车公司都正式宣布在2005年实现燃料电池汽车的商业化。但仍在许多问有待解决，而且有些问至今没有找到解决新问，尽管如此，保护地球环境的重要性今后将尤为突出，所以在21世纪，以燃料电池为中心的交通体系有望得以实现。
21世纪的前年，是燃料电池在技术和成木取突破从特殊应到商品化产业化至关重要的时期。为加速我国，雨沉开发，应当充分利用我们的资源优势，在原有工作坫础，深开展低，1含量合金电催化剂电极内，1与3最佳分布，进步提高，1利用率和降低，1用量，开发金属面改性与冲压成型技术开发廉价的部分氟化或非氟化含多元磺酸质子交换膜，甲醇汽油氧化重整制氢技术以及抗⑴中贵的阳极电催化剂等方面的研究工作，结合各方力量联合
攻关，合理分工，取长补短，为我国燃料电池技术的发展贡献份力试，为燃料电池在我实化产业化作出贡献，
篇三：质子交换膜燃料电池发展现状
质子交换膜燃料电池开发现状
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种有前景的活性可再生能源系统，它能够将化学能转换为电能。质子交换膜燃料电池的开发也变得越来越受欢迎。由于质子交换膜电池有高效率，可从生物质等清洁能源中收集能量，而且能够直接转换电能，不用复杂的机械结构就能转换多种清洁能源，所以它被认为是可持续发展的能源系统之一。
质子交换膜燃料电池的发展受到越来越多的关注。首先，新型材料的研发正在推动质子交换膜燃料电池的进步。如今，质子交换膜燃料电池的材料不仅仅有聚合物膜，还有其他特殊功能材料，如铂催化剂，陶瓷支撑膜等，可以提高电池的耐磨性和可靠性。此外，新型材料还能大大提高电池的效率，减少温度对质子交换膜电池的影响，提高整体系统的可靠性，降低系统价格。
其次，质子交换膜燃料电池体系技术也在不断发展，通过开发特定的燃料供给系统，提高供电器件的多样性，利用物流技术提高储存和输送的灵活性，开发更低压的体系技术，匹配不同的发电系统和供给情况，以便更大范围地使用质子交换膜燃料电池体系，从而提高整体系统的可靠性和可操作性。
此外，质子交换膜燃料电池的原料种类也在不断增加。如今，质子交换膜燃料电池的水果体系不仅能够运行在汽油、柴油等传统汽油和柴油系统上，还可以应用于新型能源，如液化天然气（LNG）、废油复制燃料、混合可燃冰等能量供应系统，从而充分发挥质子交换膜燃料电池的经济和环保优势。
总之，随着新型材料、体系技术和原料种类不断更新，质子交换膜燃料电池开发正在推动全球清洁能源发展，其产品将会更新，应用领域也将更广泛，以满足更多用户的需求，从而为人类提供更加可持续的可再生能源。
篇四：质子交换膜燃料电池发展现状
质子交换膜燃料电池开发现状
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种新型的可再生能源技术，它可以将化学能转换成电能，这种技术具有高效、清洁和安全等优点，使其成为未来可再生能源技术的基础。但是，质子交换膜燃料电池的开发现状仍然存在一些问题，大大限制了其应用的范围和程度。
质子交换膜燃料电池的材料结构复杂，成本高，导致其成本限制了其大规模应用。其次，质子交换膜燃料电池在正常运行时，需要低温，但是实际应用中，电池的温度很容易升高，超过其工作温度，从而降低电池的性能和使用寿命。此外，质子交换膜燃料电池还存在电极反应速率慢、氢气管理、质子传导率和电极反应等方面的问题。
为了解决这些问题，研究人员正在尝试改进燃料电池的材料，如使用新型的质子交换膜材料，以及研发新的电极材料，以提高电池的性能；此外，研究人员还在尝试利用燃料和氧化剂混合物，以期提高燃料电池的反应速率；同时，人们还在尝试研发新型的氢气管理系统，以减少氢气的流失。
质子交换膜燃料电池的开发现状仍然存在一些问题，但是随着科学技术的发展，许多新的技术和材料正在被开发出来，可以改善质子交换膜燃料电池的性能，从而为其的发展和应用奠定基础。
篇五：质子交换膜燃料电池发展现状
燃料电池质子交换膜技术发展现状
作者：刘义鹤
江
洪
来源：《新材料产业》2018年第5期
燃料电池是将染料化学能直接转变为电能的电化学反应装置，热电联机效率可达95%以上，同时还具有无噪声、绿色环保、可靠性高、易于维护等优势，被认为是当代最具前景的新型发电技术。质子交换膜燃料电池（PEMFC）利用质子导电材料作为电解质，与普通燃料电池相比，其室温下启动速度快，无电解质流失，具有高的比功率与比能量，因而在分散型电站、可移动电源及航空航天等领域获得了广泛的应用。质子交换膜（PEM）作为燃料电池的核心材料，其性能的高低直接影响燃料电池的稳定性和耐久性。
一、质子交换膜的分类
根据氟含量，可以将质子交换膜分为全氟质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜、非氟聚合物质子交换膜、复合质子交换膜4类。其中，由于全氟磺酸树脂分子主链具有聚四氟乙烯（PTFE）结构，因而带来优秀的热稳定性、化学稳定性和较高的力学强度；聚合物膜寿命较长，同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团，具有优秀的离子传导特性。非氟质子膜要求比较苛刻的工作环境，否则将会很快被降解破坏，无法具备全氟磺酸离子膜的优异性能。这几类质子交换膜的优缺点如表1所示。
全氟质子交换膜最先实现产业化。全氟类质子交换膜包括普通全氟化质子交换膜、增强型全氟化质子交换膜、高温复合质子交换膜。普通全氟化质子交换膜的生产主要集中在美国、日本、加拿大和中国，主要品牌包括美国杜邦（Dupont）的Nafion系列膜，陶氏化学公司（Dow）的Dow膜和Xus-B204膜，3M全氟碳酸膜，日本旭化成株式会社Alciplex，日本旭硝子公司Flemion，日本氯工程公司C系列；加拿大Ballard公司BAM系列膜，比利时Solvay公司Solvay系列膜；中国山东东岳集团DF988、DF2801质子交换膜。主要公司与产品如表2所示。
20世纪80年代初，加拿大Ballard公司将全氟磺酸质子交换膜用于PEMFC并获得成功以来，全氟磺酸膜成为现代PEMFC唯一商业化的膜材料普通全氟化质子交换膜。增强型全氟化质子交换膜主要包括PTFE/全氟磺酸复合膜和玻璃纤维/全氟磺酸复合膜。高温型复合质子交换膜主要包括杂多酸/全氟磺酸复合膜和无机氧化物/全氟磺酸复合膜。全氟磺酸膜的分类详见表3所示。
1.全氟磺酸质子交换膜
全氟磺酸质子交换膜已经实现商业化，成为市场上重要的燃料电池隔膜材料。目前已经在市面销售的全氟磺酸PEM主要有美国Dupont公司的Nafion系列PEM（Nafion117、Nafion115、Nafion112等）、Dow公司的XUS-B204膜、比利时Solvay公司的Aquivion膜、日本旭化成Alciplex，旭硝子Flemion，氯工程C系列，加拿大Baliard公司BAM膜等。Fleminon膜、Aciplex膜和Nafion膜相似，都具有较长支链；XUS-B204膜的含氟侧链较短，电导率获得显著提升，但同时合成难度和成本也大幅提高，目前已经停产。Solvay公司解决了这一问题，他们通过引入更高含量的磺酸根集团来保持膜内水含量，其生产的短支链Aquivion膜的性能已经超过Nafion112膜。
目前市场应用最广的PEM是Dupont公司的Nafion膜。相比其他质子交换膜，Nafion膜具有较高的化学稳定性和较高的机械强度、在高湿度的工作环境下能保持高导电率。目前商业化的全氟磺酸PEM几乎都是以Nafion结构为基础。但膜材料对温度和含水
量要求较高（在中高温度时质子传导性能下降严重），用于直接甲醇燃料电池中时，甲醇的渗透率较高，制备工艺难度较大。北京化工大学制备出Nafion纳米纤维膜，导电率为Nafion膜的5～6倍，成功提升了Nafion膜的性质。
2.部分氟化质子交换膜
美国通用电气公司（GE）在20世纪60年代就在宇宙飞船上应用了磺化聚苯乙烯质子膜的PEM燃料电池。为提高磺化聚苯乙烯质子PEM的性能，加拿大Ballard公司开发了BAM系列PEM。这是一种典型的部分氟化聚苯乙烯PEM。其热稳定性、化学稳定性及含水率都获得大幅提升，超过了Nafion117和Dow膜的性能。同时，其价格相较全氟型膜更低，在部分情况下已经能替代全氟磺酸膜。但由于聚苯乙烯类PEM分子量较小，机械强度不足，一定程度上限制了其广泛应用。
3.无氟质子交换膜
为了同时满足PEM在化学稳定性和机械强度双方面的要求，无氟PEM一般利用主链上包含苯环结构的芳香族聚合物进行制备。磺化芳香聚合物主要包括磺化聚芳醚酮、磺化聚硫醚砜、磺化聚醚醚酮、磺化二氮杂萘聚醚砜酮、磺化聚酰亚胺、磺化聚苯并咪唑等。这种方式制备的PEM的吸水性和阻醇性明显高于Nafion膜。美国DAIS公司使用磺化嵌段型离子共聚物作为PEM原材料，研制出磺化苯乙烯-丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物膜。将该PEM的磺化度控制在50%～60%之间时，其电导率能达到Nafion膜的水平；当磺化度大于60%时，能同时获得较高的电化学性能与机械强度，实现二者的平衡；60℃下电池寿命达到2500h，室温寿命4000h，有望在低温燃料电池中应用[1]。
二、质子交换膜的改性
1.复合质子交换膜
为了解决全氟磺酸质子交换膜原材料合成难度高、制备工艺复杂、成本高的问题，研究人员利用复合型膜材料开发新型质子膜。复合型质子交换膜主要包括机械增强型质子交换膜、高温质子交换膜及自增湿型质子交换膜。
（1）机械增强型质子交换膜
将质子导体与增强组分结合，实现机械增强型质子交换膜。其中，质子导体能形成连续的质子输运通道，提高质子的导电性能，如对Nafion膜的改性应用。机械增强组分则有效提高膜材料的机械强度，如对PTFE多孔膜的改性应用。通过对PTFE多孔膜改性获得的增强型复合PEM，其自身机械强度和稳定性获得增加的同时，膜厚也得到了大幅降低。由于聚合物含量下降，生产成本也随之得到降低；改性操作对膜内水分含量与传递的改善还能进一步减小材料的电阻，提高燃料电池整体性能。美国Gore公司自主开发出Gore-Tex材料，结合全氟磺酸树脂，制出Gore-Select增强型PEM。该膜厚度25μm，脱水收缩率只有Nafion117膜的1/4；湿态强度明显优于Nafion117。虽然Gore-Select膜内离子聚合物含量有所下降，使得该膜室温下电导率较Nafion膜更低，但由于膜厚的降低使其获得比Nafion膜更低的电阻率。英国JohnsonMatthery公司，采用造纸工艺制备了自由分散的玻璃纤维基材，其直径在微米量级，长度达到毫米量级。再用Nafion溶液将该玻璃基材中的微孔进行填充，然后在烧结的PTFE模型上成膜，并进行层压，制出了新的增强型复合质子交换膜，该膜厚度约60mm。利用这种膜制出的染料电池与Nafion膜电池性能相近，但其氢气的渗透性稍高于Nafion膜。
（2）高温质子交换膜
一方面，在高温下，Nafion膜含水量会急剧下降而造成导电性大幅降低；另一方面，Nafion膜化学稳定性不够，化学降解的发生以及结构改变也造成膜的机械强度下降，因而限制了不能通过提高工作温度的方法来提高电极反应速度并克服催化剂中毒来提高膜的性质。因此，高温PEM的研究也成为了一个热点。
目前，高温质子交换膜的主要传输载体包括高沸点无机酸或杂多酸，如磷酸、硅钨酸、磷钨酸等。加拿大的EcolePolytechnique公司推出的NASTA系列杂多酸共混膜和NASTATH系列杂多酸共混膜，相比Nfion膜，质子导电率和吸水率均获得提高。利用其组装的燃料电池性能也优于Nafion膜制造的燃料电池。其中，NASTA系列杂多酸共混膜是将硅钨酸加入Nafion溶液，利用注膜法进行制备。NASTATH系列杂多酸共混膜则是利用硅钨酸、增塑剂液态噻吩和Nafion溶液三者混合制备[2]。
（3）阻醇型质子交换膜
直接甲醇燃料电池具有低温启动速度高、绿色环保以及电池结构简单等优势，在移动电源领域具有非常大的应用潜力。但全氟磺酸质PEM阻醇性能较差，无法制备直接甲醇燃料电池。目前通常利用对Nafion膜进行改性来提高膜材料的阻醇性。天津大学利用具有质子导电性的Nafion、聚苯乙烯磺酸溶液和具有高阻醇性的的聚偏氟乙烯共混制备出了PVDF-PSSA和PVDF-Nafion两种共混PEM。和Nafion117膜相比，这2种膜的阻醇性具备明显优势。在Nafion质量分数为25%时，PVDF-Nafion膜的电导率下降100倍，但甲醇透过率降低了接近1000倍。
（4）自增湿型质子交换膜
PEM为了保持良好的质子传导能力，需要保持充足的水分。利用自增湿型PEM制造的燃料电池具有更简单的结构，同时由于自增湿型PEM的存在，水蒸气在电池反应过程中不会液化凝结。因此，自增湿型PEM也具有广泛的应用潜力。
目前自增湿型PEM主要有亲水性氧化物掺杂自增湿PEM和H2－O2自增湿复合PEM两种[3]。
亲水性氧化物掺杂自增湿复合膜一般利用SiO2、二氧化钛（TiO2）等亲水性氧化物粒子对膜材料进行掺杂，由于这些亲水离子的存在，PEM可吸收电池反应过程中生成的水，进而保持质子膜的湿润。可通过亲水氧化物的含量、直径、晶体类型等因素调节成膜的增湿性质。Honamai等人结合将硅氧烷和聚合物电解质膜制出纳米硅氧烷骨架，显著提升了PEM的水分含量。他们进一步将分散的SiO2、TiO2颗粒引入到Nafion112膜中，也得到了较好的增湿效果[4]。
H2－O2自增湿复合膜的工作原理是，在PEM中掺入商量Pt作为催化剂，让扩散至PEM内的氢气和氧气反应生成水。这种方式在实现PEM实时增湿的同时，还能阻止氢气（H2）在氧电极生成混合电位，因而提高电流效率，增加电池的安全性。但自增湿型质子膜也存在一定的缺陷。主要包括：由于无法对PEM内的Pt粒子进行固定，Pt粒子容易汇聚成团簇并形成导电通路；再者，这些无机粒子与Nafion不相容，在水分的浓度梯度环境下容易造成球形颗粒局部压力升高，导致复合PEM的机械性能降低，加剧膜内反应气体的扩散。
三、结语
质子交换膜是燃料电池的核心材料，质子交换膜性能的好坏将直接影响燃料电池产业化进程和获得大规模应用的关键因素之一。为了实现燃料电池的实用化与产业化，人们在PEM的制造工艺和材料改性方面已经进行了大量的研究。目前，进一步提高PEM的使用耐久性、寿命和工作性能仍然是PEM燃料电池产业化面临的主要任务。燃料电池PEM市场还是一个新兴市场，国内外均未形成较大的规模。在燃料电池巨大的市场需求推动下，PEM必将获得进一步发展。相信不久将会有更高性能、更低成本的PEM产品问世，大力推动燃料电池技术的发展及其产业化应用。
10.19599/j.issn.1008-892x.2018.05.005
推荐访问: 质子交换膜燃料电池发展现状 质子 燃料电池 发展现状