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《燃料電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、燃料電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望摘要：介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)、原理、特點及應(yīng)用情況，重點闡述了PEMFC的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上探討了PEMFC的發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；雙極板；電極；催化劑 1質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)及原理 按照電解質(zhì)的不同可將燃料電池分為磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池等五類。PEMFC單電池由質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散電極、雙極板等構(gòu)成，圖1是其結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。 PEMFC的基本工作過程如下： 氫氣通過雙極板上的導(dǎo)氣
2、通道到達(dá)電池的陽極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子； 氫離子以水合質(zhì)子H+的形式通過電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，電子在陽極側(cè)積累； 氧氣通過雙極板到達(dá)陰極后，氧分子在催化劑的作用下變成氧離子，陰、陽極間形成一個電勢差； 陽極和陰極通過外電路連接起來，在陽極積聚的電子就會通過外電路到達(dá)陰極，形成電流，對負(fù)載做功。同時，在陰極側(cè)反應(yīng)生成水； 只要持續(xù)不斷地提供反應(yīng)氣體，PEMFC就可以連續(xù)工作，對外提供電能。 質(zhì)子交換膜燃料電池的特點 高效率。PEMFC以電化學(xué)方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，不存在燃燒過程，不受卡諾循環(huán)限
3、制，其理論熱效率可達(dá)85-90%，目前的實際效率大約是內(nèi)燃機(jī)的兩倍。傳統(tǒng)動力源為了提高效率必須將負(fù)荷限制在很小范圍內(nèi)，而PEMFC幾乎在全部負(fù)荷范圍內(nèi)均有很高效率。 模塊化。PEMFC在結(jié)構(gòu)上具有模塊化的特點，可根據(jù)不同動力需求組合安裝，采用“搭積木”式的設(shè)計方法簡化了不同規(guī)模電堆的設(shè)計制造過程。 高可靠性。由于PEMFC電堆采用模塊化的設(shè)計方法，結(jié)構(gòu)簡單，易于維護(hù)。一旦某個單電池發(fā)生故障，可自動采取適當(dāng)屏蔽措施，只會使系統(tǒng)輸出功率略有下降，而不會導(dǎo)致整個動力系統(tǒng)的癱瘓。 燃料多樣性。PEMFC動力系統(tǒng)既可以純氫為燃料，也可以重
4、整氣為燃料。氫氣的來源可以是電解水的產(chǎn)物，也可以是對汽油、柴油、二甲醚等化石類燃料重整的產(chǎn)物。氫氣的存儲方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。 環(huán)境友好。當(dāng)采用純氫為燃料時，PEMFC的唯一產(chǎn)物是水，可以做到零排放。以重整氣為燃料時，相對于內(nèi)燃機(jī)而言，排放也極大降低。此外，PEMFC噪聲水平也很低，各結(jié)構(gòu)部件均可回收利用。研究現(xiàn)狀 關(guān)鍵部件 電解質(zhì)膜、雙極板、催化劑及氣體擴(kuò)散電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的四大關(guān)鍵部件。 電解質(zhì)膜是PEMFC的核心部件，它直接影響燃料電池的性能與壽命。1962年美國杜邦公司研制成功全氟磺酸
5、型質(zhì)子交換膜，1966年開始用于燃料電池，其商業(yè)型號為Nafion，至今仍廣泛使用。但由于Nafion膜成本較高，各國科學(xué)家正在研究部分氟化或非氟質(zhì)子交換膜。 雙極板在PEMFC中起著支撐、集流、分割氧化劑與還原劑并引導(dǎo)氣體在電池內(nèi)電極表面流動的作用，目前廣泛采用的是以石墨為材料，在其上加工出引導(dǎo)氣體流動的流場，基本流場形式有蛇形、平行、交指及網(wǎng)格狀等。 鉑基催化劑是目前性能最好的電極催化劑，為提高利用率，鉑以納米級顆粒形式高分散地?fù)?dān)載到導(dǎo)電、抗腐蝕的擔(dān)體上，目前廣泛采用的擔(dān)體為乙炔炭黑，比表面積約為250m2/g，平均粒徑為30n
6、m。 PEMFC的氣體擴(kuò)散電極由兩層構(gòu)成，一層為起支撐作用的擴(kuò)散層，另一層為電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的場所催化層。擴(kuò)散層一般選用炭材如石墨化炭紙或炭布制備，應(yīng)具備高孔隙率和適宜的孔分布，不產(chǎn)生腐蝕或降解。根據(jù)制備工藝和厚度不同，催化層分為厚層憎水、薄層親水及超薄三種類型。 3.測控系統(tǒng) PEMFC的工作性能受多種因素的影響，為確保PEMFC正常運行，提高其可靠性和有效性，就必須監(jiān)測各個影響因素。即運用有效的措施來連續(xù)監(jiān)測PEMFC運行的關(guān)鍵或重要狀態(tài)，并對收集到的信息進(jìn)行必要的分析和處理，以便做到故障預(yù)測和及時診斷，為PEMFC管理系統(tǒng)提
7、供依據(jù)。目前，進(jìn)行PEMFC測試系統(tǒng)相關(guān)方面研究的公司和機(jī)構(gòu)眾多，但仍沒有制定出有關(guān)PEMFC測試的國際標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備，不過已有實用的測試系統(tǒng)投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料電池測試站、美國Arbin公司的集成燃料電池測試系統(tǒng)是其中的突出代表。 質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用 質(zhì)子交換膜燃料電池是目前各種燃料電池中實用程度較高的一類。其優(yōu)越性不僅限于能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低，還體現(xiàn)在其可在較大的電流密度下工作，適宜于較頻繁啟動的場合。因此世界各大汽車生產(chǎn)廠商一致看好其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景，PEMFC已
8、成為現(xiàn)今燃料電池汽車動力的主要發(fā)展方向。目前，通用、豐田等世界上知名的汽車公司，都在積極開發(fā)以PEMFC系統(tǒng)為動力源的PEMFC電動車，曾先后推出各種類型的樣車，并進(jìn)行PEMFC
