【正文】 H2 → H+nH2O + e （ 3） 隨后 ， H+或 H+nH2O進(jìn)入質(zhì)子交換膜 ， 通過與膜中磺酸基上的 H+進(jìn)行質(zhì)子交換到達(dá)電池陰極 。 與此同時(shí) ，增濕的氧氣也穿過雙極板上的氣體通道和擴(kuò)散層 ， 吸附于陰極電催化劑層中 。 （ 4） 吸附于陰極催化劑中的氧氣與交換而來的H+在鉑催化劑的作用下 ， 發(fā)生陰極反應(yīng)： 1/2O2 + 2H+ + 2e → H2O 在陰極上電子被吸收 ， 陽極氫在較低電位下氧化 ，陰極氧在較高電位下還原 ， 兩極間產(chǎn)生電位差 ， 將外電路連接就會形成電流 ， 向外電路輸出電能 因而理論上 PEMFC的轉(zhuǎn)化率可超過 80% Fuel Cell Stacks Most fuel cells designed for use in vehicles produce less than volts of electricityfar from enough to power a vehicle. Therefore, multiple cells must be assembled into a fuel cell stack. The potential power generated by a fuel cell stack depends on the number and size of the individual fuel cells that prise the stack and the surface area of the PEM. Proton Exchange Membrane fuel cells CES2021東芝展示的一款使用“直接甲醇燃料電池” (Direct Methanol Fuel Cell)的筆記本電腦 直接甲醇燃料電池 ， 屬于質(zhì)子交換膜燃料電池 ， 使用液態(tài)甲醇為燃料 ， 相比較質(zhì)子交換膜燃料電池 ，DMFC低溫生電 、 燃料成分危險(xiǎn)性低 、 結(jié)構(gòu)簡單 DMFC的效率仍然不如現(xiàn)有的電池技術(shù) 質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵技術(shù) PEMFC的關(guān)鍵技術(shù)包括質(zhì)子交換膜 、 電催化劑和膜電極的制備 ， 雙極板表面流場的加工和極板材料的選擇 ， 以及燃料 、 氧化劑的使用和水熱管理等 。 目前制約 PEMFC商業(yè)化的主要因素是 電催化劑 、 電解質(zhì)膜和雙極板 等部件的成本太高 ， 為解決這一問題 ， 國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了大量研究 。 質(zhì)子交換膜 (PEM)是 PEMFC的一個(gè)核心組成部分 ， 它主要起 分隔 燃料 /氧化劑和 傳導(dǎo) 質(zhì)子的作用 。目前 ， 國內(nèi)外應(yīng)用最廣的仍然是全氟磺酸材料制成的 PEM， 如 Nafion膜和 Dow膜等 。 20世紀(jì) 70年代初由美國 Dupont公司推出的 Nafion全氟磺酸質(zhì)子交換膜 在離子導(dǎo)電性 、 電子絕緣性 、機(jī)械強(qiáng)度以及機(jī)械氣密性和電化學(xué)穩(wěn)定性等方面均能達(dá)到實(shí)用要求 ， 壽命長達(dá) 10年 。 電解質(zhì)膜 在 使用 PEM前，須對表面進(jìn)行清洗以除去吸附在表面的有機(jī)雜物和金屬雜質(zhì)。 一般先用 H2O2溶液在加熱條件下清洗有機(jī)雜物；洗掉有機(jī)物后，用二次蒸餾水多次沖洗除去殘留的 H2O2 然后用 H2SO4將膜中金屬雜質(zhì)去掉；最后反復(fù)用蒸餾水將殘留的 H2SO4沖洗干凈 PEM的使用 電極材料（電催化劑） 在 PEMFC中 ， 催化劑的類型決定于所用的燃料 。 目前 ， 燃料電池多使用甲醇或甲醇重整氣為燃料 ， 這兩種燃料中都含有 CO。CO在催化劑表面的強(qiáng)化學(xué)吸附 ， 可導(dǎo)致催化劑的活性表面全部被 CO占據(jù) ， 需要的反應(yīng)不能正常進(jìn)行 ， 造成催化劑 CO中毒 。 克服 CO中毒的方法： 燃料重整法和催化劑合金化法 燃料重整法 包括實(shí)際工作條件下很難維持的選擇性氧化法 ， 如 Ballard公司通過在鋁上的催化劑鉑 (Pt)傳遞重整的甲醇和少量氧氣 ， 降低燃料電池中的 CO含量至 ％ ， 和在有充足 H2通入的情況下 ， 在陽極增濕器通入 H2O2 催化劑合金法 是將 一種或兩種元素加入到基礎(chǔ)催化劑 中 ， 將催化劑制成合金 ，克服 CO的中毒 。 為了解決催化劑的 CO中毒問題 ， 催化劑研究主要集中在 PtM(M是某種貴金屬或過渡金屬 )二組分合金和三組分合金方面 。 在二元陽極催化劑中 ， PtRu/C是應(yīng)用最為廣泛 ，也是較為成熟的抗毒化催化劑 ， PtRu/C具有較高的活性及穩(wěn)定性 ， 它可以在低電位下氧化 CO 催化原理 ：在低電位 Ru的表面上可以吸附含氧物 ，將鄰近的吸附在 Pt上的 CO氧化成 CO2， Pt的活性點(diǎn)得以空出 ， 供燃料分子的吸附和氧化 ， 從而提高燃料氧化的速率和效率 。 二組分合金 三元催化劑主要以 Pt、 Ru合金為基礎(chǔ) 。 Holleck等發(fā)現(xiàn) ， 三元催化劑 低電壓和高電壓區(qū)域都較二元有著更好的性能 。 Pinheiro等分析了 Pt、 Ru、 Pt、 Mo和 PtRuMo/C的性能 ， 發(fā)現(xiàn)三元催化劑性能最佳 。 Chen等對 WO3加入催化劑的情況進(jìn)行了研究 ， 結(jié)果表明 WO3的加入使 Pt/WO3和 Pt/Ru/WO 對甲醇及 H/CO的催化活性都有所提高 。 PtNi/C， PtCo/C， PtCd/C在 PEMFC中對電極動力學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行了考察 ,結(jié)果顯示 3種合金催化劑都優(yōu)于純 Pt催化劑 三組分合金 膜電極 膜電極三合一組件 (MEA)主要由 質(zhì)子交換膜 、 氣體擴(kuò)散層和電催化層 三部分組成 , 對 PEMFC的輸出功率 、 能量密度分布及工作壽命有著決定性的影響 。 其中膜主要有 Nafion膜 、 有機(jī) /無機(jī)雜化聚合物電解質(zhì)膜等 擴(kuò)散層的作用在于支撐 催化層 ， 收集電流 ， 并為電化學(xué)反應(yīng)提供電子通道 、 氣體通道和排水通道 ， 通常使用 碳紙或者碳布 催化層則是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所 ， 目前多采用 Pt催化劑 。 目前人們已經(jīng)開發(fā)出多種膜電極制備工藝以減少電極的 Pt載量 ， 如涂膏法 、 澆注法 、 滾壓法和電化學(xué)催化法等 。 雙極板 雙極板作為 PEMFC的主要的結(jié)構(gòu)和功能部件，目前其成本太高是制約燃料電池商業(yè)化的一個(gè)重要因素。 文獻(xiàn)表明，一個(gè)典型的 雙極板占整個(gè)電堆質(zhì)量和體積的 80%，成本的 46%。 因此，對雙極板材料及其制作工藝的開發(fā)是提高性能，降低制造成本的主要途徑之一 雙極板是 PEMFC的一個(gè)多功能的組成部件，除了起支撐膜電極和在兩個(gè)單體電池間集流導(dǎo)電的作用外，還有導(dǎo)通氣體、排水和傳熱等作用。 雙極板材料 雙 極 板 應(yīng) 具 有 以 下 性 能 ： (1) 電阻率cm2(2)熱導(dǎo)率盡量高 (3)氫氣滲透率 104cm3/ (4) 腐蝕速率小于 (5) 抗壓強(qiáng)度 (6) 密度 5g/cm2。 目前 ， PEMFC雙極板材料大致可分為碳 （ 石墨 ）材料 、 金屬材料和復(fù)合材料 。 石墨雙極板材料 有完全石墨化材料和碳復(fù)合材料兩種 主要 優(yōu)點(diǎn) 是具有好的耐蝕性 、 導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性 、接觸電阻小以及密度低等 。 以石墨為雙極板材料制成的 PEMFC是目前各種雙極板材料制得的PEMFC中放電性能最好的 ， 常被用作開發(fā)其它新材料雙極板的參照體系 。 缺點(diǎn) 也較明顯：如孔隙率大 、 機(jī)械強(qiáng)度低 、 加工性能差等 。 與石墨雙極板相比 ， 金屬材料的 強(qiáng)度高 、 加工性能好 ， 可制成很薄 的雙極板以制造重量比能量和體積比能量都很高的PEMFC， 金屬的 氣體不透過性能夠阻隔氧化劑和還原劑 ， 因此金屬材料是制作雙極板的首選材料之一 。 目前已研究的金屬雙極板材料主要包括 不銹鋼 、 鈦 、 鋁 、 鎳等 。 金屬雙極板面臨的主要問題是在 PEMFC環(huán)境中的腐 蝕 問題 。 金屬的溶解會 污染 膜電極 ， 而金屬表面鈍化膜的形成則又會 增大接觸電阻 ， 從而降低電池性能 。 金屬雙極板 復(fù)合雙極板 無孔石墨雙極板石墨化費(fèi)工時(shí)、成本高，而長壽命金屬雙極板必須進(jìn)行表面改性處理。為了充分利用石墨和金屬材料的特點(diǎn)，已開發(fā)了 以金屬基多孔石墨、聚碳酸酯塑料和不銹鋼為材料的復(fù)合雙極板。 與無孔石墨板相比，制造多孔石墨便宜、省時(shí)，只要不銹鋼和聚碳酸酯部分能保證氣體不滲透，就可使用多孔石墨。 石墨耐腐蝕，不銹鋼能提供機(jī)械強(qiáng)度，聚碳酸酯能提供化學(xué)穩(wěn)定性，并能被澆鑄成各種形狀的密封圈。 復(fù)合材料的 優(yōu)點(diǎn) 在于成型制備快，體積小，重量輕，耐蝕性能好。 缺點(diǎn) 是導(dǎo)電性差，機(jī)械性能差。 500kw質(zhì)子交換膜燃料電池 methanolbased micro fuel cell prototype 克 萊 斯 勒 與 加 拿 大 Ballard Power Systems聯(lián)合開發(fā) 燃料電 池系統(tǒng) ， 持續(xù)行駛距離約為250km， 最大速度 128km/h。 福特?？怂谷剂想姵仄囀疽鈭D 熔融碳酸鹽燃料電池是一種高溫燃料電池(工作溫度為 650℃ ～ 700℃ ) 熔融碳酸鹽燃料電池 熔融碳酸鹽燃料電池采用堿金屬 （ Li、 Na、 K）的碳酸鹽為電解質(zhì) ， NiCr/NiAl合金為陽極 ， NiO為陰極 ， 導(dǎo)電離子為碳酸根離子 陰極反應(yīng)： 1/2O2 + CO2 +2e → CO 32 陽極反應(yīng)： H2 + CO32 → H 2O + CO2 + 2e 總反應(yīng)： 1/2O2 + H2 → H 2O 陽極 陰極 2H2 O2 4e 2H2O 2CO2 2CO32 4e H2O + CO2 4e 隔膜 是電解質(zhì)的核心部件，它必須 具備強(qiáng)度高、耐高溫熔鹽的腐蝕，浸入熔鹽電解質(zhì)后能夠阻擋氣體通過，并且具有良好的離子導(dǎo)電等性能 。 由于 LiAlO2具有很強(qiáng)的抗碳酸熔鹽腐蝕的能力，所以目前 MCFC的隔膜一般由 LiAlO2制成 LiAlO2隔膜 在制備隔膜過程中，一般采用由粗、細(xì)顆粒及纖維組成的混合物。 細(xì)顆粒（ mm）多為 γLiAlO2，它能提供高的孔積率。 粗顆粒（ 10 mm）為 αAl2O3用于提高抗壓強(qiáng)度及熱循環(huán)能力。 加入 αAl2O3纖維（ φ5 mm）可以提高抗張強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。由此制得的隔膜能獲得良好的電化學(xué)和熱機(jī)械性能。 電解質(zhì) 燃料電池的電解質(zhì)應(yīng)具有盡可能高的離子電導(dǎo)率和盡可能低的電子電導(dǎo)率 。 在 MCFC中采用的碳酸鹽電解質(zhì)主要有(Li/K)2CO3和 (Li/Na)2CO3這二種 。 O2在 Li/K體系中的溶解度較高 ， 陰極極化較弱 ， 電池表現(xiàn)出較高的性能 ， 因此該體系被普遍采用 。 然而 Li/K體系中 NiO陰極的溶解度較高 ，電池性能下降較快 。 相對而言 ， Li/Na體系堿性較強(qiáng) ， NiO的溶解性較低 ， 有利于提高電池的穩(wěn)定性 兩類電解質(zhì)的比較 雙極板是 MCFC的一個(gè)多功能部件，它起如下作用： 一是將陽極氣氛與陰極氣氛分離，因此，雙極板應(yīng)具有阻氣功能； 二是提供單電池之間的電接觸，因此雙極板應(yīng)是電的良導(dǎo)體； 雙極板 三是提供一個(gè)密封區(qū)，將燃料和氧化劑通過由雙極板、密封件等構(gòu)成的共用孔道，經(jīng)各個(gè)單池的進(jìn)氣管導(dǎo)入各個(gè)單池，并由流場均勻分配到電極各處； 四是利于電池組余熱的排出，因?yàn)?MCFC電池組效率一般在 50%左右，所以雙極板必須是熱的良導(dǎo)體。 此外，從工業(yè)化考慮，制備雙極板的材料應(yīng)易于加工，適合于批量生產(chǎn)。目前， 雙極板材料的研究主要集中于鐵、鎳基合金。其中 316L型不銹鋼顯示較好的綜合性能。 德國巴克杜爾， 500KW融熔碳酸鹽燃料電池電廠 固體氧化物燃料電池 電解質(zhì) 是電池核心 , 電解質(zhì)性能直接決定電池工作溫度和性能 , 目前常用 Y2O3 穩(wěn)定 ZrO2 (簡稱 YSZ) 電極材料本身首先是一種催化劑 , 對 SOFC 陽極材料 ,要求電子電導(dǎo)高 ,在還原氣氛中穩(wěn)定并保持良好透氣性 . 常用的材料是 Ni 粉彌散在YSZ中的金屬陶瓷 SOFC 陰極材料在高溫氧氣氛環(huán)境工作 ,起傳遞電子和擴(kuò)散氧作用 ,應(yīng)是多孔洞的電子導(dǎo)電性薄膜 . 要求陰極材料具有高電導(dǎo)率、高溫抗氧化性以及高溫?zé)岱€(wěn)定性 ,并且不與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng) . 大量實(shí)驗(yàn)證明 La xSr1 xMnO3 是首選的陰極材料 連接體材料在高溫下、氧化和還原氣氛中組成穩(wěn)定、晶相穩(wěn)定、化學(xué)性能穩(wěn)定 ,熱膨脹性能與電解質(zhì)組元材料相匹配 ,同時(shí)具有良好的氣密性和高溫下良好的導(dǎo)電性能 . 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的 鉻酸鑭 (LaCrO3) 常用作 SOFC 連接體材料 固體氧化物燃料電池電化學(xué)反應(yīng)過程 德國在 HDW基爾船廠將世界上第一艘現(xiàn)代非核潛艇命名為 U31號。新式潛艇在水下巡游數(shù)周時(shí)間而不必升出水面，而常規(guī)柴電潛艇巡游兩天時(shí)間就會用盡電能。此外，燃料電池沒有噪音，而且不會放出熱量；這些因素有助于潛艇不會被發(fā)現(xiàn)。