再生质子交换膜燃料电池(RFC)具有高的比能量 ，近年来也得到航空航天领域的广泛关注；直接甲醇 燃料电池(DMFC)在电子器件电源如笔记本电脑、手机 方面等得到了演示，已经进入到了商业化的前夜；以 固体氧化物燃料电池(SOFC)为代表的高温燃料电池技 术也取得了很大的进展。但是，燃料电池技术还处于 不断发展进程中，燃料电池的可靠性与寿命、成本与 氢源是未来燃料电池商业化面临的主要技术挑战，这 些也是燃料电池领域研究的焦点问题。

　　2.3 质子交换膜 根据PEMFC的制造和工作过程，PEMFC 对质子交换膜的性能要求如下：(1)具有优 良的化学、电化学稳定性，保证电池的可 靠性和耐久性；(2)具有高的质子导电性， 保证电池的高效率；(3)具有良好的阻气性 能，以起到阻隔燃料和氧化剂的作用；(4) 具有高的机械强度，保证其加工性和操作 性；(5)与电极具有较好的亲和性，减小接 触电阻；(6)具有较低成本，满足使用化要 求。

　　电催化 电催化是使电极与电解质界面上的电荷转移 反应得以加速的催化作用。 电催化反应速度不仅由电催化剂的活性决定， 而且与双电层内电场及电解质溶液的本性有关。

　　H2的阳极氧化 H2在酸性环境中的阳极氧化反应为： 一般认为它的具体途径如下：(M 代表电催化剂 表面原子) 第一步： 第二步有两种可能的途径：

　　燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反 应而发电。燃料电池的基本组成有：电极、电解质、 燃料和催化剂。二个电极被一个位于这它们之间的、 携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极 上，催化剂，例如白金，常用来加速电化学反应。 上图为燃料电池基本原理示意图。

　　由此可见，随着质子交换膜工作容许温度区 间的提高，给 PEMFC 带来一系列的好处，在电化 学方面表现为： (1)有利于 CO 在阳极的氧化与脱 付，提高抗 CO 能力； (2)降低阴极的氧化还原过 电位；(3)提高催化剂的活性； (4)提高膜的质子 导电能力。在系统和热利用方面表现为：(1)简化 冷却系统； (2)可有效利用废热； (3)降低重整系 统水蒸气使用量。随着人们对中温质子交换膜燃 料电池认识的加深，开发新型耐热的质子交换膜 正在被越来越多的研究工作者所重视。

　　CH3OH是一种易溶于水的液体燃料，它不像H2和 烃类燃料存在浓差极化问题。但CH3OH氧化时存在以 下几个问题： a. CH3OH及其中间产物的电极反应速度较慢； b.电催化剂易被中间产物毒化； c.在许多电催化剂上均生成HCOOH和HCHO等副产 物； 即使在开路状态或在很低的电流密度(50mA／ cm2)下，仍出现0.4V的电压损失。

　　采用化学方法制备Pt/C电催化剂的原料一般 采用铂氯酸。制备路线分两大类： a 先将铂氯酸转化为铂的络合物，再 由络合物制备高分散Pt/C电催化剂； b 直接从铂氯酸出发，用特定的方法 制备Pt高分散的Pt/C电催化剂。 为提高电催化剂的活性与稳定性，有时还添 加一定的过渡金属，支撑合金型的电催化剂。

　　多孔气体扩散电极的比表面积不但比平板电 极提高了3-5个数量级，而且液相传质层的厚度也 从平板电极的10-2cm压缩到10-3-10-6cm，从而大大 提高了电极的极限电流密度，减少了浓差极化。

　　PEMFC 电极是一种多孔气体扩散电极，一般 由扩散层和催化层组成。扩散层的作用是支撑催 化层、收集电流、并为电化学反应提供电子通道、 气体通道和排水通道；催化层是发生电化学反应 的场所，是电极的核心部分。电极扩散层一般由 碳纸或碳布制作，厚度为0.2mm-0.3mm。制备方法 为：

　　2.2.2.2 薄层亲水电极催化层制备工艺 在薄层亲水电极催化层种，气体的传输不同 于经典疏水电极催化层中由PTFE憎水网络形成那 个的气体通道中传递，而是利用氧气在水或 Nafion类树脂种扩散溶解。因此这类电极催化层 厚度一般控制在5μm左右。 该催化层一般制备工艺如下：

　　将5%的Nafion溶液与Pt/C电催化剂混 合均 匀，Pt/C与Nafion质量比为3：1； 加入水与甘油，控制质量比为Pt/C：H2O:甘油 =1：5：20； 超声波混合，使其成为墨水状态； ④将上述墨水态分几次涂到已经清洗的PTFE膜 上，在135°C下烘干； ⑤将带有催化层的PTFE膜与经过储锂的质子交换 膜热压处理，将催化层转移到质子交换膜上。

　　2.1.1电催化剂的制备 至今，PEMFC所用电催化剂均以Pt为主 催化剂组分。为提高Pt利用率， Pt均以纳 米级高分散地担载到导电，抗腐蚀的碳担 体上。所选碳担体以碳黑或乙炔黑为主， 有时它们还要经高温处理，以增加石墨特 性。最常用的担体为VulcanXC-72R，其平 均粒径约30nm，比表面积约250m2/g。

　　燃料电池（fuel cell）是一个电池本体与燃料 箱组合而成的动力装臵。燃料电池具有高能效、低 排放等特点，近年来受到了普遍重视，在很多领域 展示了广阔的应用前景。上个世纪60-70年代期间， 美国“Gemini”与“Apollo”宇宙飞船均采用了燃 料电池作为动力源，证明了其高效与可行性；燃料 的选择性非常高，包括纯氢气、甲醇、乙醇、天然 气，甚至于现在运用最广泛的汽油，都可以做为燃 料电池燃料。这是目前其他所有动力来源无法做到 的。以氢为燃料、环境空气为氧化剂的质子交换膜 燃料电池(PEMFC)系统近十年来在车上成功地进行了 示范，被认为是后石油时代人类解决交通运输用动 力源的可选途径之一。

　　在全氟磺酸膜内部存在相分离，磺酸基团并 非均匀分布于膜中，而是以离子簇的形式与碳 - 氟 骨架产生微观相分离，离子簇之间通过水分子相互 连接形成通道(下图所示)，这些离子簇间的结构对 膜的传导特性有直接影响。 因为在质子交换膜相内，氢离子是以水合质子 H(xH2O)的形式，从一个固定的磺酸根位跳跃到另 一个固定的磺酸根位，如果质子交换膜中的水化离 子簇彼此连接时，膜才会传导质子。膜离子簇间距 与膜的EW值和含水量直接相关，在相同水化条件下 ，膜的EW值增加，离子簇半径增加；对同一个质子 交换膜，水含量增加，离子簇的直径和离子簇间距 缩短，这些都有利于质子的传导。

　　单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车的，它必 需和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管 理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成 燃料电池发电系统，简称燃料电池系统。 1 燃料电池组 2 辅助装臵和关键设备： (1)燃料和燃料储存器 (2)氧化剂和氧化剂存储器 (3)供给管道系统和调节系统 (4)水和热管理系统

　　最早在 PEMFC 中得到实际应用的质子交换 膜是美国DuPont公司于60 年代末开发的全氟磺 酸质子交换膜（ Nafion 膜），在此之后，又相 继出现了其它几种类似的质子交换膜，它们包 括美国Dow化学公司的Dow膜、日本Asahi Chemical 公司的 Aciplex 膜和 Asahi Glass 公司 的Flemion膜，这些膜的化学结构与Nafion膜都 是全氟磺酸结构，如下图所示：

　　其中MH2与MH分别表示吸附的氢分子和氢原子。 第二步的第一种可能途径是 H2与M 作用就能使H— H 键断裂形成 M—H 键，而第二种可能途径是 MH2 需 要水分子的碰撞才能使 H—H 键断裂。二者的差异 在于 M 与 H原子间作用力的强弱不同，前者的 M与 H 原子间作用强，而后者的作用弱。因此，吸附氢 作用强的催化剂在第二步反应中按第一种途径的 可能性大；而吸附氢作用弱的催化剂按第二种途 径的可能性大。在多数情况下，过渡金属元素在 吸附氢时直接离解成 MH 。 Raman 光谱实验证实， PEMFC中H 在Pt上氧化的第二步正是按上述第一种 途径进行的。

　　再生氢氧燃料电池将水电解技术 (电能2H2O→2H2O2)与氢氧燃料电 池技术(2H2O2→H20电能)相结合 , 氢氧燃料电池的燃料 H2、氧化剂O2可 通过水电解过程得以“再生”, 起到蓄 能作用。可以用作空间站电源。

　　固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电 解质，除了高效，环境友好的特点外，它无材料 腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下电 池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效 率可由50%提高到 70%以上；它的燃料适用范围广， 不仅能用 H 2 ，还可直接用 CO 、天然气（甲烷）、 煤汽化气，碳氢化合物、 NH 3 、 H 2 S 等作燃料。这 类 电 池 最 适 合 于 分 散 和 集 中 发 电 。

　　• 1839年，Grove所进行的电解作用实验——使用电 将水分解成氢和氧。 • 第一个碱性燃料电池。 • 1866年，制造出了能工作的燃料电池。 • 20世纪60年代，宇宙飞行的发展，才使燃料电池 技术重又提到议事日程上来。出于对能保护环境 的能源供应的需求，激发了人们对燃料电池技术 的兴趣。

　　（2）质子交换膜燃料电池（PEMFC） （3）磷酸燃料电池（PAFC） （4）熔融碳酸燃料电池（MCFC） （5）固态氧燃电池（SOFC）

　　质子交换膜燃料电池以磺 酸型质子交换膜为固体电解 质,无电解质腐蚀问题，能量 转换效率高，无污染，可室温 快速启动。质子交换膜燃料电 池在固定电站、电动车、军用 特种电源、可移动电源等方面 都有广阔的应用前景，尤其 是电动车的最佳驱动电源。它 已成功地用于载人的公共 汽车和奔驰轿车上。

　　燃料电池一般以氢为燃料，以氧为氧化 剂。由于气体在电解质溶液中的溶解度很低， 因此在反应点的反应剂浓度很低。为了提高燃 料电池实际工作电流密度，减小极化，需要增 加反应的真实表面积。此外还应尽可能的减少 液相传质的边界层厚度。因此在此种要求下研 制多孔气体电极。

　　2.2.2.1 经典的疏水电极催化层制备工艺 催化层由Pt/C催化剂、PTFE、及之子导体聚 合物（Nafion）组成。制备工艺：将上述3种混合 物按照一定比例分散在50%的蒸馏水种、搅拌、用 超声波混合均匀后涂布在扩散层或质子交换膜上 烘干，并热压处理。得到膜电极三合一组件。催 化层的厚度一般在几十微米左右。

　　目前PEMFC的发电效率为50%左右，燃料中化学能 的 5 0% 是以热能的形式放出，现采用全氟磺酸膜的 PEMFC 由于膜的限制，工作温度一般在80℃左右，由 于工作温度与环境温度之间的温差很小，这对冷却系 统的难度很大。工作温度越高，冷却系统越容易简化 ，特别是当工作温度高于100℃时，便可以借助于水的 蒸发潜热来冷却，另一方面，重整气通常是由水蒸气 重整法制得的，如果电催化剂的抗CO 能力增强，即重 整气中CO 的容许浓度增大，则可降低水蒸气的使用量 ，提高系统的热效率。

　　首先将碳纸或碳布多次浸入聚四氟乙烯乳液 （ PTFE) 中进行憎水处理，用称量法确定浸入的 PTFE 的量；再将浸好的 PTFE 的碳纸臵于 330°C340°C 烘箱内进行热处理，除掉浸渍在碳纸中的 PTFE 所含有的表面活性剂，同时使 PTFE 热熔结， 并均匀分散在碳纸的纤维上，从而达到优良的憎 水效果。开云 开云体育平台开云 开云体育平台开云APP 开云官网入口开云APP 开云官网入口开云APP 开云官网入口