燃料电池及其应用 页码，1/9 燃料电池及其应用 邱爽指导教师张常群 摘要：内容包括：燃料电池的概念：各种燃料电池的工作原理：燃料电池的物理化学原理：燃 料电池的历史、优缺点、特点及分类；几种燃料电池的综述：燃料的来源与资源评估：国内外燃料 电池的研究现状与发展现状：燃料电池的应用与新技术：关于燃料电池的最新科技动态等。 现在国内外电动气车的蓄电池主要有铅蓄电池、锌空气电池、银锌蓄电池、燃料电池等数种 其中燃料电池是近年来才出现的新事物，被许多人认为是一个发展方向，因为它功率密度高、工作 密度低、起动性能好、运动部件少、安全可靠、污染少、噪音低等多项优点。 (一)燃料电池的概念 燃料电池是一种把贮存在燃料和氧化剂中的化学能，等温地按电化学原理转化为电能的能量转 换装置。燃料电池是由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成。燃料在阳极氧化，氧化剂 在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电能而驱动负载工作 燃料电池与 规电池不同在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂通过电化学反应生成水，并 释放出电能：只要保持燃料供应，电池就会不断工作提供电能。 (二)各种燃料电池的工作原理 燃料电池是怎样产生电的呢？首先从电解水谈起。电解水可将水分解为氢和氧，这是一般的化 学知识。而燃料电池将这个过程反过来做，把氢和氧这两种气体合成水分，并且将由此产生的能量 直接转换成电流。在这个过程中，这两种气体不能直接接触，要用一层电解质将它们隔开。电解质 是由经过镀铂处理的高分子箔片组成，并只允许两气体之一以带电方式即离子形式通过电解质层， 当离子为氢离子（质子），它的每一个质子留下一个申子，这样在申解质的氢气一侧形成正电荷 从而形成一定的电压 有电压就有电流。 因此燃料电池就产生电能】 (三)燃料电池所涉及的物理化学原理 以氢氧燃料电池为例。把氢气通入阳极处，根据表面化学的知识，加催化剂的多孔石墨可以增 大电极的表面积。催化剂多为含过渡元素的化合物。例如，N、P对氢气有较好的吸附能力，每有 2mol氢气被氧化，就同时有4mol电子放出，电子通过导线移动到阴极处，在阴极上的大最氧气就得 到了电子，每有1mol氧气被还原，就同时有4mol电子被吸收。因此，总过程是氢气不断被氧化的同 时，氧气不断被还原。然而，此过程中，OH(aq)因受吸引不断向阳极聚集，Kt(aq)则向阴极聚集。 根据电池总反应，氢气和氧气的最终产物是水。 燃料电池的一个显著特点是不受卡诺循环的限制。能量转换铰缟。燃料电池的理论效率为： =1 燃料电池的理论能量转换效率可达80%~100%。实际应用中，由于阴、阳极极化和浓差极化的 存在和电解质的欧姆降以及热损失等，燃料电池的能量转换效率刀为： △H 下降为40%~60%，但仍较内燃机的能量转换效率高10%~20%。 (四)燃料电池的发展历史和优、缺点 1。燃料由池的发展历中 燃料电池发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。自1839年G.R.Grove建造世界 fi】 //E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 邱爽 指导教师 张常群 摘要: 内容包括：燃料电池的概念：各种燃料电池的工作原理；燃料电池的物理化学原理；燃 料电池的历史、优缺点、特点及分类；几种燃料电池的综述；燃料的来源与资源评估；国内外燃料 电池的研究现状与发展现状；燃料电池的应用与新技术；关于燃料电池的最新科技动态等。 现在国内外电动气车的蓄电池主要有铅蓄电池、锌-空气电池、银锌蓄电池、燃料电池等数种， 其中燃料电池是近年来才出现的新事物，被许多人认为是一个发展方向，因为它功率密度高、工作 密度低、起动性能好、运动部件少、安全可靠、污染少、噪音低等多项优点。 （一）燃料电池的概念 燃料电池是一种把贮存在燃料和氧化剂中的化学能，等温地按电化学原理转化为电能的能量转 换装置。燃料电池是由含催化剂的阳极、阴极和离子导电的电解质构成。燃料在阳极氧化，氧化剂 在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电能而驱动负载工作。燃料电池与常 规电池不同在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂通过电化学反应生成水，并 释放出电能；只要保持燃料供应，电池就会不断工作提供电能。 （二）各种燃料电池的工作原理 燃料电池是怎样产生电的呢？首先从电解水谈起。电解水可将水分解为氢和氧，这是一般的化 学知识。而燃料电池将这个过程反过来做，把氢和氧这两种气体合成水分，并且将由此产生的能量 直接转换成电流。在这个过程中，这两种气体不能直接接触，要用一层电解质将它们隔开。电解质 是由经过镀铂处理的高分子箔片组成，并只允许两气体之一以带电方式即离子形式通过电解质层， 当离子为氢离子（质子），它的每一个质子留下一个电子，这样在电解质的氢气一侧形成正电荷， 从而形成一定的电压，有电压就有电流。因此燃料电池就产生电能。 （三）燃料电池所涉及的物理化学原理 以氢氧燃料电池为例。把氢气通入阳极处，根据表面化学的知识，加催化剂的多孔石墨可以增 大电极的表面积。催化剂多为含过渡元素的化合物。例如，Ni、Pd对氢气有较好的吸附能力，每有 2mol氢气被氧化，就同时有4mol电子放出，电子通过导线移动到阴极处，在阴极上的大量氧气就得 到了电子，每有1mol氧气被还原，就同时有4mol电子被吸收。因此，总过程是氢气不断被氧化的同 时，氧气不断被还原。然而，此过程中，OH-(aq)因受吸引不断向阳极聚集，K+(aq)则向阴极聚集。 根据电池总反应，氢气和氧气的最终产物是水。 燃料电池的一个显著特点是不受卡诺循环的限制。能量转换铰缟。燃料电池的理论效率为： 燃料电池的理论能量转换效率可达80%～100%。实际应用中，由于阴、阳极极化和浓差极化的 存在和电解质的欧姆降以及热损失等，燃料电池的能量转换效率 为： 下降为40%～60%，但仍较内燃机的能量转换效率高10%～20%。 （四）燃料电池的发展历史和优、缺点 1．燃料电池的发展历史 燃料电池发电是继水力、火力和核能发电之后的第四类发电技术。自1839年G.R.Grove建造世界 H T S H G ∆ ∆ = − ∆ ∆ η = 1 η H E IR nF H nFV ∆ − − − = ∆ − = η+ η− η 燃料电池及其应用 页码，1/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 页码，2/9 上第一个燃料电池以来，燃料电池以经历150余年的发展历史。然而，真正引起科学家广泛兴越 的是始于20世纪50年代Bacon型燃料电池的研究和进展。燃料电池的首次应用是在1960年作为宇宙 飞船的空间电源，此后燃料电池技术开始迅速发展。60~0年代集中研究航空、航天方面用的燃料 电池，80年代后期中点研究地面用的燃料电池。下表概括了不同历史时期燃料电池发展的里程碑。 燃料电池发展的里程碎 1839年 以氢气和氧气为原料，t丝为两电极的第一个燃料电池，这是燃料电池发展的 维形 1889年 Mond和Langer重复了创始人Grove的实验， 并引入燃料电池的概念，他们首汾 发现铂化的电极容易被燃料气中存在的CO所毒化。 1902~1904年 Reid在1902年和Lno在1904年首次用KOH溶液作为燃料电池的电解质，为碱性 燃料电池发展的雏形。 1939年 1939年研制了电解质为27%KOH的碱性燃料电池 工作温度为100℃， 气体压力为220bar,在0.89V获得的电流密度为13mA·cm' 1959年 Bacon发明了双孔烧结Ni汽体扩散电极，并演示5W的碱性燃料电池系统 1962年 美国通用电力公司发展了PEMFC技术，PEMFC和AFC燃料电池先后被成功地用 于双子星座和Apollo登月飞行 1967年 磷酸燃料电池(PAFC)问世，并获得优先发展 1977年 世界上第一个兆瓦级燃料电池(1 MWPAFC)在美国通过了测试，后来 4.5 MWPAFC工厂相纪又在美国和日本试验成功 1983年 重新开始PEMFC的研究 1991年 世界上最大容量的燃料电池发电厂，11MW的MCFC燃料电池在日本问世 1992年 开始研制直接甲PEMEC 1993年 世界上第 个以PEMFC作为动力电源的电动客车出现在加拿大的衔头，并进行 了展示。 2.燃料电池的优点 (1)不受卡诺循环限制，能量转换效率高： (2)洁净、无污染、噪声低： (3)模块结构、积木性强，比功率高。既可以集中供电，也适用分散供电： (4)高温燃料电池可实现热电联供。 3.燃料电池的缺点： 由于燃料电池结构复杂，生产成本最昂而无法推广。 (五)燃料电池的特点及分类 1.燃料电池的特点 (1)高效 它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，其能量转化效率在40一60%：如果实 现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上， (2)环境友好一据国家氢能领域首席科学家、清华大学教授毛何有温室效应的化学物质，也 不会引起酸南和烟雾。如汽车使用燃料电池，利用氢和氧化学反应，它所产生的只是电、热和水蒸 气，唯一的副产品就是水， 真正达到排放零污染。水又是制氢气的原料，整个过程是循环和清 的。 (3)安静 一燃料电池运动部件很少，工作时安静，噪声很低。 (4)氢能源可再生，用之不尽一燃料电池车的氢来源广泛，不仅可从城市煤气和天然气中得 到，也可通过太阳能、生物细黄分解农作物秸轩和有机废水中得到，最主要是从水中通过申解的 方法把氢元素从水中分解出来。氢燃料可再生和重复利用，不存在枯竭问题，海洋、湖泊、江河 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
上第一个燃料电池以来，燃料电池以经历150余年的发展历史。然而，真正引起科学家广泛兴趣 的是始于20世纪50年代Bacon型燃料电池的研究和进展。燃料电池的首次应用是在1960年作为宇宙 飞船的空间电源，此后燃料电池技术开始迅速发展。60～70年代集中研究航空、航天方面用的燃料 电池，80年代后期中点研究地面用的燃料电池。下表概括了不同历史时期燃料电池发展的里程碑。 燃料电池发展的里程碑 2．燃料电池的优点 （1）不受卡诺循环限制，能量转换效率高； （2）洁净、无污染、噪声低； （3）模块结构、积木性强，比功率高。既可以集中供电，也适用分散供电； （4）高温燃料电池可实现热电联供。 3．燃料电池的缺点： 由于燃料电池结构复杂，生产成本最昂而无法推广。 （五）燃料电池的特点及分类 1．燃料电池的特点 （1）高效——它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，其能量转化效率在40～60%；如果实 现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。 （2）环境友好——据国家氢能领域首席科学家、清华大学教授毛何有温室效应的化学物质，也 不会引起酸雨和烟雾。如汽车使用燃料电池，利用氢和氧化学反应，它所产生的只是电、热和水蒸 气，唯一的副产品就是水，真正达到排放零污染。水又是制氢气的原料，整个过程是循环和清洁 的。 （3）安静——燃料电池运动部件很少，工作时安静，噪声很低。 （4）氢能源可再生，用之不尽——燃料电池车的氢来源广泛，不仅可从城市煤气和天然气中得 到，也可通过太阳能、生物细菌分解农作物秸秆和有机废水中得到，最主要是可从水中通过电解的 方法把氢元素从水中分解出来。氢燃料可再生和重复利用，不存在枯竭问题，海洋、湖泊、江河就 1839年 以氢气和氧气为原料，Pt丝为两电极的第一个燃料电池，这是燃料电池发展的 雏形。 1889年 Mond和Langer重复了创始人Grove的实验，并引入燃料电池的概念，他们首次 发现铂化的电极容易被燃料气中存在的CO所毒化。 1902～1904年 Reid在1902年和Lno在1904年首次用KOH溶液作为燃料电池的电解质，为碱性 燃料电池发展的雏形。 1939年 Bacon于1939年研制了电解质为27%KOH的碱性燃料电池，工作温度为100℃， 气体压力为220bar，在0.89V获得的电流密度为13mA·cm-2 1959年 Bacon发明了双孔烧结Ni气体扩散电极，并演示5kW的碱性燃料电池系统 1962年 美国通用电力公司发展了PEMFC技术，PEMFC和AFC燃料电池先后被成功地用 于双子星座和Apollo登月飞行。 1967年 磷酸燃料电池（PAFC）问世，并获得优先发展 1977年 世 界 上 第 一 个 兆 瓦 级 燃 料 电 池（1MWPAFC）在 美 国 通 过 了 测 试，后 来 4.5MWPAFC工厂相纪又在美国和日本试验成功。 1983年 重新开始PEMFC的研究 1991年 世界上最大容量的燃料电池发电厂，11MW的MCFC燃料电池在日本问世 1992年 开始研制直接甲醇PEMFC 1993年 世界上第一个以PEMFC作为动力电源的电动客车出现在加拿大的街头，并进行 了展示。 燃料电池及其应用 页码，2/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 页码，3/9 是我们的“氢矿” (5)氢燃料电池车安全 氢燃料车比汽油车安全得多。即使在失火的情况下也便于逃生。汽 油车发生事故或遇火，油箱会发生爆炸，油产生的热和毒气都会致命。而氢燃料车在猛烈的撞击 下，甚至储氢罐破裂都不会引起大火，在可逃生时不会被大火烧伤。即使氢气采用压缩储存，也只 是易燃。如果撞击后氢燃料外溢没有着火 它会蒸发到空气中，不产生污染 但它绝不会爆炸，因 为氧气只有与氧气或空气在密闭的空间里（如一个容器里）混合后才会引起爆炸。 (6)携带氢燃料三种方式 一燃料电池车携带氢气有三种方式，即压缩后存储在高压容器中： 液化后存储在绝热容器中：与某些金属及合金化合后以固体氢化物方式存储。最后一种储存方法， 金属及合金的氢化物吸附氢就像海绵吸水一样，储氢效率很高。目前，世界上三种储氢方法都有试 验样车。如迈阿密汽车使用压缩氢气，加到福尼亚公共汽车使用氢化物储存，德国的一些示范公共 汽车使用液氢。 2.燃料电池的分类 见下表。 工作 电池类型 燃料 特点 技术状态 度/C 及应用 碱性燃料电池 室温 纯氢 纯 能量转化效率高：高比功 高度发展，20世纪60年代己在 (AFC) -200 率：高比能量：但不适合 航天中成功应用，可作为特殊 在地面上应用。 地面应用 质子交换膜燃 室温 纯氢 可室温快速启动：无电 高度发展，适用于分散电站、 料电池 -100 净化 液流失：水易排出：寿命 电动车、潜艇推动、各种可移 (PEMFC) 整气 长，比计率与比能是高。 动电源、家庭动力源。已有电 动样车。需题降低成本，尽异 实现产业化。 直接甲醇燃料 室温CH,OH 来源丰富，价格低廉 正在开发。适宜为手机、笔 电EODMEC) -200 本电脑等供电。 碳移做料申池 100 重整气 建分敬申站运行可靠用 高度发展，适用于特殊需求、 (PAFC) 20 动时间长， 成 区域性分散电站。 高，余热利用价值低 缩融碳酸盐燃 600 净化 月有律立分做由站的用 适宜建区域性分散电站，正在 料电池 200 煤 势，余热利用价值高 进行现场实哈，需证长寿命】 (MCFC 才能有竞争力，实现商业化 天然 固体氧化物燃 800 净化煤 全固体结构，无使用液体 活宜建站大、中型电站、分数 料电池 电解质带来的腐蚀和电解 电站，电池结构选择开发廉价 (SOFC) 1000 天然 液流失问题。可望实现 寿 命运行 高工作温度 其技术难点。 (六)几种燃料电池的综述 1,氢氧型燃料电池 在字宙飞船上使用的是氢氧型燃料电池，在电池中充有浓KOH电解质，在电池工作过程中氢气 和氧气分别被导入阳极和阴极，发生的电极反应如下： i //E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
是我们的“氢矿”。 （5）氢燃料电池车安全——氢燃料车比汽油车安全得多。即使在失火的情况下也便于逃生。汽 油车发生事故或遇火，油箱会发生爆炸，油产生的热和毒气都会致命。而氢燃料车在猛烈的撞击 下，甚至储氢罐破裂都不会引起大火，在可逃生时不会被大火烧伤。即使氢气采用压缩储存，也只 是易燃。如果撞击后氢燃料外溢没有着火，它会蒸发到空气中，不产生污染。但它绝不会爆炸，因 为氢气只有与氧气或空气在密闭的空间里（如一个容器里）混合后才会引起爆炸。 （6）携带氢燃料三种方式——燃料电池车携带氢气有三种方式，即压缩后存储在高压容器中； 液化后存储在绝热容器中；与某些金属及合金化合后以固体氢化物方式存储。最后一种储存方法， 金属及合金的氢化物吸附氢就像海绵吸水一样，储氢效率很高。目前，世界上三种储氢方法都有试 验样车。如迈阿密汽车使用压缩氢气，加到福尼亚公共汽车使用氢化物储存，德国的一些示范公共 汽车使用液氢。 2．燃料电池的分类 见下表。 （六）几种燃料电池的综述 1．氢-氧型燃料电池 在宇宙飞船上使用的是氢-氧型燃料电池，在电池中充有浓KOH电解质，在电池工作过程中氢气 和氧气分别被导入阳极和阴极，发生的电极反应如下： 电池类型 工作 温 度/℃ 燃料 氧 化 剂 特 点 技术状态 及应用 碱性燃料电池 (AFC) 室温 ～200 纯氢 纯 氧 能量转化效率高；高比功 率；高比能量；但不适合 在地面上应用。 高度发展，20世纪60年代已在 航天中成功应用，可作为特殊 地面应用。 质子交换膜燃 料电池 (PEMFC) 室温 ～100 纯氢 净化重 整气 氧 气 空 气 可室温快速启动；无电解 液流失；水易排出；寿命 长；比功率与比能量高。 高度发展，适用于分散电站、 电动车、潜艇推动、各种可移 动电源、家庭动力源。已有电 动样车，需要降低成本，尽早 实现产业化。 直接甲醇燃料 电池(DMFC) 室温 ～200 CH3OH 空 气 来源丰富，价格低廉 正在开发。适宜为手机、笔记 本电脑等供电。 磷酸燃料电池 (PAFC) 100 ～200 重整气 空 气 建分散电站运行可靠度 高，但启动时间长，成本 高，余热利用价值低。 高度发展，适用于特殊需求、 区域性分散电站。 熔融碳酸盐燃 料电池 (MCFC) 600 ～200 净化 煤气 重整气 天然气 空 气 具有建立分散电站的优 势，余热利用价值高。 适宜建区域性分散电站，正在 进行现场实验，需延长寿命， 才能有竞争力，实现商业化。 固体氧化物燃 料电池 (SOFC) 800 ～ 1000 净化煤 气 天然气 空 气 全固体结构，无使用液体 电解质带来的腐蚀和电解 液流失问题，可望实现长 寿命运行，高工作温度是 其技术难点。 适宜建造大、中型电站、分散 电站，电池结构选择开发廉价 制备技术。 燃料电池及其应用 页码，3/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 页码，4/9 阴极（氧化反应）2H,(g+4OHr(aq)一4H,00+4e Ee=-0.83V 阴极（氧化反应）20，(g2H,0①+4e→40H(aq) E0=.+0.40V 总反应为：2H,(g+0,(g)→2H,0(g) E=+123V 电池符号为：(-)PH2KOHO,Pt(+) 电池在70~140℃下工作，产生额定电动势E=+0.9V,工作过程中产生的水蒸气被排出电池。燃 料电池剖示图如下图所示 氢氧型燃料电池的未来应用的一个可能性是从太阳捕获动力。利用现代发展的催化方法可以利 用太阳光将水分解为氢和氧，然后将它们用于燃料电池来产生电流。如下图所示：一座用于空间技 术的燃料电池。它的长度为25寸，重68磅，它用氢气和氧气来产生电流。每工作1千瓦小时，能产生 1品特纯的饮用水。 2 直接甲醇燃料电池 直接甲醇燃料电池是经由甲醇和氧的相关电极反应产生电流，发电所需的燃料为液甲醇和氧 (空气)。由于该类燃料电池摒弃了氢气，在某些应用领域具有明显的优势。同时由于DMFC结构 简单、操作方便，燃料来源丰富、价格便宜、便于携带与储存，近些年来倍受产业界的青睐。该电 池可用于笔记本电脑、摄像机、手机等小型民用可移动电源等，应用前景十分广阔 小分子尤其是甲醇 斗具有以下优点：(1)在常温常压下是液体 日时O门晋睡荔田玉买孙连 携 富，价格低廉：(4)无C一C键束缚电化学活性高。 甲醇燃料电池以质子交换膜或酸性电解液为电解质时的反应如下： 负极反应：CH,OH+H20一C02+6H+6 正极反应：6+3/202+6e→3H20 电池反应：CH,OH+320, =C02+2H,0 理论计算结果表明：直接甲醇燃料电池的电动势为：1.214V,能量转换效率可达96.68%。3 质子交换膜燃料电池 (1)工作原理 质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂碳铂钉碳为 电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的 金属板为双极板。图1为质 子交换膜燃料电池的工作原理示意图。其电极反应类同于其它酸性电解质 燃料电池。 图1质子交换膜燃料电池的工作原理示意图 (2)主要特点及应用 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
阴极（氧化反应）2H2(g)+4OH- (aq)→4H2O(l)+4e- =-0.83V 阴极（氧化反应）2O2(g)+2H2O (l) +4e- → 4OH-(aq) =-+0.40V 总反应为：2H2(g)+O2(g) → 2H2O(g) =+1.23V 电池符号为：（-）|Pt|H2|KOH|O2|Pt（+） 电池在70～140℃下工作，产生额定电动势E=+0.9V，工作过程中产生的水蒸气被排出电池。燃 料电池剖示图如下图所示： 氢-氧型燃料电池的未来应用的一个可能性是从太阳捕获动力。利用现代发展的催化方法可以利 用太阳光将水分解为氢和氧，然后将它们用于燃料电池来产生电流。如下图所示：一座用于空间技 术的燃料电池。它的长度为25寸，重68磅，它用氢气和氧气来产生电流。每工作1千瓦小时，能产生 1品特纯的饮用水。 2．直接甲醇燃料电池 直接甲醇燃料电池是经由甲醇和氧的相关电极反应产生电流，发电所需的燃料为液甲醇和氧气 （空气）。由于该类燃料电池摒弃了氢气，在某些应用领域具有明显的优势。同时由于DMFC结构 简单、操作方便，燃料来源丰富、价格便宜、便于携带与储存，近些年来倍受产业界的青睐。该电 池可用于笔记本电脑、摄像机、手机等小型民用可移动电源等，应用前景十分广阔。 有机小分子尤其是甲醇，作为燃料电池的燃料具有以下优点：（1）在常温常压下是液体，携带 和储存都很方便；（2）燃料氧化产生的最终产物是CO2和H2O，对环境污染极小；（3）来源丰 富，价格低廉；（4）无C—C键束缚电化学活性高。 甲醇燃料电池以质子交换膜或酸性电解液为电解质时的反应如下： 负极反应：CH3OH+H2O → CO2+6H++6e- 正极反应：6H++3/2O2 +6e- → 3H2O 电池反应：CH3OH+3/2O2==== CO2+2H2O 理论计算结果表明：直接甲醇燃料电池的电动势为：1.214V，能量转换效率可达96.68%。3． 质子交换膜燃料电池 （1）工作原理 质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂/碳铂-钌/碳为 电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的 金属板为双极板。图1为质子交换膜燃料电池的工作原理示意图。其电极反应类同于其它酸性电解质 燃料电池。 图1 质子交换膜燃料电池的工作原理示意图 （2）主要特点及应用 θE+ θE− Eθ 燃料电池及其应用 页码，4/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
燃料电池及其应用 页码，5/9 质子交换膜燃料电池除具有燃料的一般特点外，同时其有可室温快速启动，电解液流失，水易 排出，寿命长，比功率与能量高等突出优点。因此，它不仅可用于建设分散电站，也特别适宜于用 作可移动动力源，是电动车和不依靠空气推进潜艇的理想候选电源之一，是军民通用的一种新型可 移动动力源。 可作为水下机器人、潜艇不依赖空气推进的电源，也是利用氯碱厂副产物氢发电的最 佳候选电源 (3)技术状态 60年代，美国首先将质子交换膜燃料电池用于双子星座航天飞行。但该电池当时采用的是聚苯 乙烯磺酸膜，在电池工作过程中该膜发生了降解。膜的降解不但导致电池寿命的缩短，而且还污染 了电池的生成水 使宇航员无法饮用。其后，尽管通用电器公司曾采用杜邦公司的全氯磺酸膜 长了电池寿命，解决了电池生成水被污染的问题，并用小电池的生物卫星上进行了搭载实验。但在 美国航天收音机用电源的竞争中未能中标，让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池(ABC),造成质子 交换膜燃料电池的研究长时间内处于低谷。 1983年加拿大国防部资助巴拉德动力公司质子交换膜燃料电池的研究。在加拿大、美国等国科 学家的共同努力下，质子交换膜燃料电池取得了突破性进展。不但大幅度提高了电池性能，而且使 电极的铂担最降至低于0.5mgcm2,电池输出功率密度高达0.5~2W/cm2,电池组的重量比功率和体 积比功率分别达到700wkg和1000wM。 自1997年至2001年，国内外己经研制成功41种车用质子交换膜燃料电池。日本丰田与美国通用 公司、日本东艺公司与美国国际燃料电池公司、德国BMW公司与西门子公司、雷诺汽车公司与意大 利De Nor 公司分别组成联盟开发燃料电池电动车。本田已经投资数亿美元。 在燃料电池电动车的研发。其中，以加拿大的巴拉德 美国的福特 德国的戴姆勒克菜斯 物的联盟最具代表性。基于戴姆物-克莱甘斯勒的A级车，已经推出NECAR一NECAR5五代质子交换 膜燃料电池车。1999年开发的NECAR4被评为当年度世界杰出科技成果。 对于燃料电池A的研究开发，德国处于国际领先恤位。德国U209加转燃料电池发动机分段实 验成功。 证实燃料电池AP与斯特林发电机、 闭路循环柴油机相比，具有效率高 噪音小和红外辐 射低等优点。在携带相同燃料和氧化剂的情况下，燃料电池续航最大。具有发展成为潜艇单一型动 力的潜力。 在通讯移动电源领域，美国的摩托罗拉公司，日本的日立、东芝和索尼等大型电子公司都参与 燃料申池作为移动通讯申源的竞争开发，。其中美国易哈领的科学家和日立公司均研制出了几个月不 用充电的手机电池样本 从而显示了燃料电池在这一领域的巨大的应用潜力 但是，尽管质子交换膜燃料电池己经在电动车、潜艇和移动电源等领域里的研究开发取得了上 述进展。把这些技术实际应用投放市场还用很长的路要走。还有许多关键技术问题需要解决。 (4)我国技术现状 中国以中科院大连化学物理研究所为代表的科研技术人品，经过三十多年的科研和国家“力 五”科技攻关 在PEMFC系统技术上取得了长足的进展，初步形成了自主的知识产权体系。已成 地组装了百瓦至30kW的系列电池组系统，组装总量累计已超过120kW,其5水W与6×5kW=30kW系 统与中科院北京电工所研制的电控制的电控制及电推进动力系统成功地完成了联试，并已于2000年 底与二汽集团进行电动汽车装车实验，开创了围内以燃料电池为动力源的电动汽车的先例。燃料电 池推动电动中巴车的最快的时速达60公里，上路试车成功，这标志者中国的燃料电池整体科研水平 己具有世界先进水平】 “十五”期间，国家将大务发展燃料电池技 燃料电池 动汽车”将 为863重大专项，有关国防方面也将有重大课题提出。2002年初，“大功率质子交换膜燃料电池发动 机及氢源技术”被列为中科院科技创新战略行动计划的重大项目之一，中科院和科技部为这项21世 纪首选的洁净、高效发电技术投资逾1亿元。 在燃料电池的开发领域，中国在4年间走过了发达国家10多年的历程。拥有全世界164项专利中 的41项。我国燃料电池发展的近期目标是提高我国燃料电池电动车的国际地位和影响，实现我国汽 i //E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22
质子交换膜燃料电池除具有燃料的一般特点外，同时具有可室温快速启动，电解液流失，水易 排出，寿命长，比功率与能量高等突出优点。因此，它不仅可用于建设分散电站，也特别适宜于用 作可移动动力源，是电动车和不依靠空气推进潜艇的理想候选电源之一，是军民通用的一种新型可 移动动力源，可作为水下机器人、潜艇不依赖空气推进的电源，也是利用氯碱厂副产物氢发电的最 佳候选电源。 （3）技术状态 60年代，美国首先将质子交换膜燃料电池用于双子星座航天飞行。但该电池当时采用的是聚苯 乙烯磺酸膜，在电池工作过程中该膜发生了降解。膜的降解不但导致电池寿命的缩短，而且还污染 了电池的生成水，使宇航员无法饮用。其后，尽管通用电器公司曾采用杜邦公司的全氟磺酸膜，延 长了电池寿命，解决了电池生成水被污染的问题，并用小电池的生物卫星上进行了搭载实验。但在 美国航天收音机用电源的竞争中未能中标，让位于石棉膜型碱性氢氧燃料电池（ABC），造成质子 交换膜燃料电池的研究长时间内处于低谷。 1983年加拿大国防部资助巴拉德动力公司质子交换膜燃料电池的研究。在加拿大、美国等国科 学家的共同努力下，质子交换膜燃料电池取得了突破性进展。不但大幅度提高了电池性能，而且使 电极的铂担量降至低于0.5mg/cm2，电池输出功率密度高达0.5～2W/cm2，电池组的重量比功率和体 积比功率分别达到700w/kg和1000w/l。 自1997年至2001年，国内外已经研制成功41种车用质子交换膜燃料电池。日本丰田与美国通用 公司、日本东芝公司与美国国际燃料电池公司、德国BMW公司与西门子公司、雷诺汽车公司与意大 利De Nora公司分别组成联盟开发燃料电池电动车。本田已经投资数亿美元。 在燃料电池电动车的研发。其中，以加拿大的巴拉德——美国的福特——德国的戴姆勒-克莱斯 勒的联盟最具代表性。基于戴姆勒-克莱甘斯勒的A级车，已经推出NECAR～NECAR5五代质子交换 膜燃料电池车。1999年开发的NECAR4被评为当年度世界杰出科技成果。 对于燃料电池AIP的研究开发，德国处于国际领先地位。德国U209加装燃料电池发动机分段实 验成功。证实燃料电池AIP与斯特林发电机、闭路循环柴油机相比，具有效率高、噪音小和红外辐 射低等优点。在携带相同燃料和氧化剂的情况下，燃料电池续航最大。具有发展成为潜艇单一型动 力的潜力。 在通讯移动电源领域，美国的摩托罗拉公司，日本的日立、东芝和索尼等大型电子公司都参与 燃料电池作为移动通讯电源的竞争开发。其中美国曼哈顿的科学家和日立公司均研制出了几个月不 用充电的手机电池样本。从而显示了燃料电池在这一领域的巨大的应用潜力。 但是，尽管质子交换膜燃料电池已经在电动车、潜艇和移动电源等领域里的研究开发取得了上 述进展。把这些技术实际应用投放市场还用很长的路要走。还有许多关键技术问题需要解决。 （4）我国技术现状 中国以中科院大连化学物理研究所为代表的科研技术人员，经过三十多年的科研和国家“九 五”科技攻关，在PEMFC系统技术上取得了长足的进展，初步形成了自主的知识产权体系。已成功 地组装了百瓦至30kW的系列电池组系统，组装总量累计已超过120kW，其5kW与6×5kW=30kW系 统与中科院北京电工所研制的电控制的电控制及电推进动力系统成功地完成了联试，并已于2000年 底与二汽集团进行电动汽车装车实验，开创了国内以燃料电池为动力源的电动汽车的先例。燃料电 池推动电动中巴车的最快的时速达60公里，上路试车成功，这标志着中国的燃料电池整体科研水平 已具有世界先进水平。“十五”期间，国家将大务发展燃料电池技术。“燃料电池电动汽车”将列 为863重大专项，有关国防方面也将有重大课题提出。2002年初，“大功率质子交换膜燃料电池发动 机及氢源技术”被列为中科院科技创新战略行动计划的重大项目之一，中科院和科技部为这项21世 纪首选的洁净、高效发电技术投资逾1亿元。 在燃料电池的开发领域，中国在4年间走过了发达国家10多年的历程。拥有全世界164项专利中 的41项。我国燃料电池发展的近期目标是提高我国燃料电池电动车的国际地位和影响，实现我国汽 燃料电池及其应用 页码，5/9 file://E:\TDDOWNLOAD\dsbg\dsbg04.htm 2008-4-22