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河南机电高等专科学校毕业设计论文论文题目：质子交换膜燃料电池的发展与应用系 部： 电气工程系 专 业： 应用化工技术 班 级： 2009级01班 学生姓名： 王 瑞 英 学 号： 090316112 指导教师： 贾 丰 春 2012年5月5日 河南机电高等专科学校毕业论文/设计摘要能源和环境是全人类面临的重要课题，考虑可持续发展的要求，在电池领域质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术正引起能源工作者的极大关注。本论文简单介绍了一下质子交换膜燃料电池的组成、特点及其工作原理并对其在产业化发展中所存在的问题及其前景作了概述。详细的从质子交换膜燃料电池的质子交换膜的材料、电催化剂的种类、双极板材料及其贮氢技术的困难方面论述了质子交换膜燃料电池的关键技术；同时从质子交换膜燃料电池的研发现状及其在电动车动力源、家庭电源、分散站和军事领域的应用做以介绍。关键词：质子交换膜燃料电池；质子交换膜；双极板；电催化剂 ABSTRACT Energy and environment is the mankind faces an important subject，considering the requirements of sustainable development，the Proton Exchange Membrane Fuel Cell（PEMFC） technology is attracting the attention of energy workers. In this thesis，the introduction of proton exchange membrane fuel cell composition，working principle，the development of key technologies，domestic and international situation and its application prospects. In this thesis，a brief proton exchange membrane fuel cell composition，characteristics，and how it works and its Problems and prospects in the industrial development are outlined. Detail from the proton exchange membrane fuel cell proton exchange membrane materials，the type of electro-catalyst，the bipolar plate materials and the difficulties of hydrogen storage technologies discussed proton exchange membrane fuel cell，the key technologies； At the same time，from the proton exchange membrane fuel cell R & D Status and its power source in electric vehicles，household power，decentralized stations and military fields，the application to introduce.Key Words：Proton exchange membrane fuel cell;Proton exchange membrane;Bipolar plate;Electro catalystI 河南机电高等专科学校毕业论文/设计目录摘要I绪论1第1章 质子交换膜燃料电池(PEMFC)的简介21.1质子交换膜燃料电池(PEMFC)概述21.2 PEMFC 的组成31.3 PEMFC 的工作原理8第2章 质子交换膜燃料电池的技术与发展102.1质子交换膜燃料电池的发展状况102.2质子交换膜燃料电池的关键技术12第3章 质子交换膜燃料电池的应用183.1 质子交换膜燃料电池作为电动车动力源183.2 质子交换膜燃料电池用作家庭电源和分散电站193.3 质子交换膜燃料电池在军事领域的应用20第4章 展望214.1 燃料电池产业化所面临的问题214.2 质子交换膜燃料电池产业化展望21致谢23参考文献24 绪论能源是人类赖以生存发展的重要物质基础，也是国民经济发展的重要命脉，因而对人类及人类社会发展具有十分重要的意义。从世界经济发展的历史和现状来看，能源的消耗水平已成为衡量一个国家国民经济发展和人民生活水平的重要标志，能源问题对社会经济发展起着决定性的作用。正是因为能源如此的重要，大多数国家已经把能源的供应与国家的安全紧密联系在一起。然而，目前能源的使用现状却不容乐观。化石能源一直都是能源使用的主要部分，但是化石能源的短缺及化石能源的使用引起严重的环境污染和空气异常，可再生能源的开发使用倍受世人瞩目，以氢能为代表的高效清洁能源越来越成为社会生存与发展的必然选择，其中，燃料电池以其自身丰富的优越性而雄踞21世纪高技术之首。燃料电池( FC)是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。它的最大特点是由于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”限制，其能量转换率高达60 % 80 %，实际使用效率则是普通内燃机的2倍。质子交换膜燃料电池( PEMFC)是作为继碱性燃料电池( AFC)、磷酸燃料电池( PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池( MCFC )和固体氧化物燃料电池(SOFC)之后发展起来的第五代燃料电池，由于采用了固态电解质高分子膜作为电解质，因此具有体积小、启动快、能量转换率高、低温启动、无电解质泄露等特点，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优点，且对环境污染小，几乎不排放氮氧化物或硫氧化物，CO2 排放量也比常规发电厂少40% 以上，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。 20 世纪末开始，国际上形成了一个PEMFC的开发热潮，使得PEMFC成为了目前世界上发展最为迅速的燃料电池。目前，我国也在大力发展PEMFC，以推动燃料电池汽车的商用化。本论文主要只对质子交换膜燃料电池的组成及其工作原理做简单介绍，并就其中的几项关键组成做详细介绍：包括质子交换膜的特点，常用的质子交换膜及其国内外的研究状况；电催化剂的要求，催化机理及其催化剂的研究状况；质子交换膜燃料电池双极板的的特点及其材料的研究状况；质子交换膜燃料电池的贮氢技术及其面临的问题。本论文还针对质子交换膜燃料电池在各个领域和各个国家的应用现状及其产业化的前景做一下介绍。第1章 质子交换膜燃料电池(PEMFC)的简介1.1质子交换膜燃料电池(PEMFC)概述 世界有关专家普遍认为，21世纪将是氢能世纪的开始。氢不仅可以通过化石燃料转换或生物制氢来得到，还可以通过核能发电、自然能（光能、风能、水能）发电、电解水，氯碱工业、钢铁工业的副产物等途径得到，而且是一种清洁能源。据日本预测，到2050年，日本对氢能的依存度将占总能源的20%，到2100年将上升到50 %以上，从这种意义上讲，在21世纪中期人类社会将步入 “氢能社会”，在未来的以氢为中心的能源体系中，燃料电池技术将毫无疑问地成为其关键。其中质子交换膜燃料电池就是由此研究出的一项高新技术成果。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)，简称PEMFC，也有人称之为聚合物电解质膜燃料电池(P01ymer E1ectrolyte Membrane Fuel Cell)还有一些其它的叫法。历史上最早称为离子交换膜燃料电池IEMFC(Ion Exchange Membrane)，现在基本没人使用这一名称。但最为常用的名称还是质子交换膜燃料电池，即PEMFC。质子交换膜燃料电池的主要特点是：(1) 燃料来源广，既可使用纯氢，又可使用转化燃料。原料来源广泛，通过对石油、天燃气、煤炭还有沼气、甲醇、水植物等加工取得，来之不尽、取之不竭。(2) 无污染，环境友好，因没有燃烧过程，不排放有害气体，它的排出物是氢氧结合的纯水，实现零排放( 无SO2、NO2，产物为H2O)。(3) 无燥音。其发电过程是电化学反应过程，没有机械运动，所以没有噪音(4) 高效节能，能源转换效率高。因其工作温度低，能耗少，能源转换效率理论上可高达80 % ，现在各国研制水平已达到50 %一60 % 。(5) 可持续供电。质子交换膜燃料电池不是蓄能蓄电装置，而是一种发电装置，只要不断供给原料就可连续发电，而且电性能稳定。美国(时代周刊) 把质子交换膜燃料电池评为21世纪即将改变人类生活的十大高科技之首。世界先进国家纷纷投入巨大人力、财力研制开发这一技术。质子交换膜燃料电池除上述特点外，其优点还有:(1) 工作电流大( 14 A/ cm2，0.6 V) ，比功率高( 0.10.2 kw/ kg) ，比能量大；(2) 使用固体电解质膜，可以避免电解质腐蚀；(3) 工作稳定可靠。常温下有80% 的额定功率，在低温( <100 ) 下运行；(4) 冷启动时间短，可在数秒内实现冷起动；(5) 设计简单、制造方便，体积、重量小，便于携带。1.2 PEMFC的组成电催化剂、质子交换膜、电极、双极板是PEMFC的重要组成部分，对PEMFC 性能和运行稳定性有着重要的影响。1.2.1 质子交换膜质子交换膜(Proton Exchange Membrane Fuel，PEM)是PEMFC的核心部件，PEM与一般化学电源中使用的隔膜有区别。 它不只是一种隔膜材料，也是电解质和电极活性物质( 电催化剂) 的基底，另外，质子交换膜还是一种选择透过性膜，主要起传导质子、分割氧化剂与还原剂的作用，用作PEM的材料应该满足以下条件：（1） 良好的质子电导率；（2） 水分子在膜中的电渗透作用小；（3） 气体在膜中的渗透性尽可能小；（4） 电化学稳定性好；（5） 干湿转换性能好；（6） 具有一定的机械强度；（7） 可加工性好、价格适当。 PEMFC曾采用过酚醛树脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜和全氟磺酸型膜等，研究表明全氟磺酸型膜是目前最实用的PEMFC电解质，其中最为流行的是Nafion膜(美国DuPont公司) 和Dow膜( Dow Chemical公司) 。全氟磺酸型质子交换膜化学式为：Nafion 117 m1，n=2, x=513.5，y=1000Flimion m=0.1, n=15Aciplex m=0.3, n=25, x=1.51.4Dow memenrane m=0.62, x=3.610这种膜的碳氟键结构对热和氧化具有稳定性，单电池电压为0.7V，电流密度为0.5A/cm2 时输出功率约为20kw(100V，200A)，电池寿命为50000h。质子交换膜的导电性与其含水量关系很大，这与水在其中的传递机理有关。Nafion系列膜具有体型网状结构，如图1-1 所示，图1-1 Nafion膜结构示意图其中有很多微孔，人们普遍用“离子簇网络结构模型”来描述这种结构。可以把它分为3个区域：(1)憎水的碳氟主链区；(2)由水分子、固定离子、相对离子和部分碳氟高聚物侧链所组成的“离子簇区”；(3)前两个区域的过渡区。膜中-SO3H是一种亲水性的阳离子交换基团，当阴极反应时，-SO3H 中离解出的H+会参与反应生成水，同时放热。氢离子离去后，-SO3H 会因静电作用吸引邻近的H+填充空位，同时还受电势差的驱动，H+在膜内由阳极向阴极移动。在有水存在的条件下，-SO3H上的H+与H2O 形成H3O+，从而削弱了-SO3H与H+间的引力，有利于H+的移动。由于膜的水性，在氢离子摆脱-SO3-后，进行了“连锁式的水合质子传递”，即质子沿着氢键链迅速地转移，所以水是质子传递必不可少的条件。质子传递使得两极反应顺利进行，维持了电池电路，所以，质子传递快慢直接影响电池内阻和输出功率。全氟磺酸膜的电导与其含水量的关系：含水量越高，膜的电导越大，当其中每个磺酸根结合的水分子数少于4时，质子交换膜几乎无法传导质子。膜部分失水时，膜的电导将会急剧下降。因此，为了防止电解质膜失水，必须对反应气进行增湿处理。在PEMFC中，需要对聚合物膜提供水以保持它的质子电导性，同时需要对水分进行管理。质子电导性在很大程度上取决于聚合物的水合能力，而水管理对电池性能非常重要，过量的供水会造成电极水淹，从而引起性能下降，而且在阴极水的生成也有给膜提供额外水的倾向。 升高温度有利于提高电化学反应速度和质子在电解质膜内的传递速度，从而有利于提高电池性能，但由于采用的电解质膜是一种有机膜，其耐温程序有限，所以电池的操作温度不应高于100。电池内阻因膜的厚度不同而有较大差异，从而使电池性能出现很大变化，一些研究机构正在研制更薄、内阻更小而且质子传导能力更强的膜。1.2.2 电催化剂及催化机理1、 PEMFC的电催化剂在整个电极反应中不被消耗的物质对电极反应所起的加速作用被称为电催化。使电极、电解质界面上的电荷转移加速反应的一种物质叫做电催化剂。电催化剂的特点在于其不但与电极电位有关，而且电极与溶液界面间存在的不参加电极反应的离子和溶剂分子常常也对催化有明显的影响。PEMFC的电极催化剂包括阳极催化剂和阴极催化剂，它是一种特殊的使氧气和氢气起反应的物质。它一般由极细的铂粉末涂覆在弹性塑料膜上或涂在碳纸或布上而制得。催化剂粗糙多孔，因而其有足够的比表面积以促进氢气和氧气的反应。它对于2个电极反应均有催化活性，并且可长期工作。对燃料电池而言，其催化剂应满足以下条件：(1)具有导电性，或使用导电性良好的载体以求获得高的导电性； (2)具有一定的化学稳定性，即能在实现目标反应的条件下，电催化剂表面不会因电化学反应而过早失活；(3)具有较好的催化性能，包括实现目标反应及抑制副反应的活性。在PEMFC中，电催化剂的研究主要是寻找可降低燃料氧化和氧气还原过程过电位的电催化剂。又由于燃料电池电极必须具有多孔、气体扩散和稳定的性能，故所用的催化剂必须是高表面积、稳定、不易老化、不易中毒、催化性能高的催化剂。构造有效面积大的催化层是制作高性能燃料电池的关键所在。催化层的厚度一般为几个微米，其制备方法工艺性极强。例如，它可由Pt/C催化剂、PTFE乳液和质子导体组成，其中PTFE起粘结剂和防水剂的作用。2、PEMFC的电极催化机理电催化(Electro catalysis)一词最早可能是20世纪30年代由前苏联Kobosev等人提出的，在20世纪60年代以后经Bockris和Grubb等人的突出贡献而得到更广泛的重视。电催化过程是指在电极电解质界面上进行电荷转移反应时的非均相催化过程，由于电催化反应是在电场作用下进行的，因此它比普通非均相催化过程更为复杂。对PEMFC的阳极反应氢的氧化反应来说，其电催化反应机理已很明确，它是一个两电子转移过程：H2+2M2MH (1-6)2MH2M+2H+2e- (1-7)在Pt催化剂上，式(1-6)是电极反应的速度控制步骤。然而对于阴极反应氧还原反应(Oxygen reduction reaction，ORR)来说，其反应机理比氢的氧化反应要复杂得多，这是由于：(1)强吸附O-O键和高度稳定的Pt-O或Pt-OH物种的形成；(2)四电子转移过程；(3)可能形成部分氧化物种H2O2。当进行四电子转移过程时，至少存在四个中间步骤，如下所示：O2+H+M+ e- MHO2 (1-8)MHO2+ H+ e- MO+H2O (1-9)MO+ H+ e- MOH (1-10)MOH+ H+ e- M+H2O (1-11)即使经过50多年的研究，仍然缺乏对在不同电催化剂上进行的这一反应的中间产物和速度控制步骤的机理的统一认测。对于发生在PEMFC中的氧还原反应，由于该反应是在与固态电解质即质子交换膜(如Nation膜)相接触的特殊界面上进行的，并且反应涉及到质子、电子、反应气体和水的多种传递过程，其反应历程、反应机理和影响因素更为复杂，目前对于发生在这一特殊界面上的反应的研究颇为不足，对其反应机理亦未探明。1.2.3双极板双极板又称流场板，其主要功能是使一个电池阴极的表面同下一个阳极串联起来，同时还向阴极供氧和向阴极提供燃气。除此之外，它还必须置有冷却流体通过电堆的通道并保证冷流体和反应气体分离，具有良好的气密性。 质子交换膜燃料电池的双极板具有以下功能和特点：（1）分隔氧化剂（ 如空气）和还原剂（如氢气、重整气），具有阻气功能，因而不能采用多孔材料；（2）收集电流，是电的良导体； （3）抗腐蚀；（4）双极板两侧应有使气体均匀分布的通道即流场，以确保气体在电极各处均匀分布；（5）极板应是热的良导体，以保证温度均匀和排热方案的实施。根据以上特点制作双极板的材料必须具备如下条件：（1） 电导率必须大于10S/cm；（2） 对于内置冷却的流体通道的双极板，导热率必须超过20w/（m/k）；对于只通过板边缘散热的电堆，极板的导热率必须超过100 w/（m/k）；（3） 气体渗透率必须低于10-7mbar×L/(s×cm2)；（4） 必须在接触酸性电解质、氧气、氢气、热和湿润的条件下都具有抗腐蚀的能力；（5） 必须具有一定的硬度，弯曲度大于25MPa；（6） 价格尽可能低。如今PEMFC广泛采用的双极板材料是无孔石墨板，制造工艺严格复杂，虽可在自动化装置上完成加工，但切割过程进行缓慢，并且对机械的精度要求较高，并且石墨易碎，成平极板需要小心轻放，组装比较困难，价格高昂，而且在石墨板上机械加上蛇形通道流场，既费工时价格又高。据介绍，在Ballard公司开发的MK55KW的质子交换膜燃料电池的成本中，双极板费用占60%70%。现在正在开发表面改性的金属和复合型双极板，表面改性后的金属不仅可以防止轻微腐蚀的产生，而且接触电阻保持恒定。更重要的是采用金属作双极板，不仅易于批量生产，而且厚度可大大降低(如可薄至0.10.3mm)，能大幅度提高电池组的比能量和比功率，现今使用最多的是不锈钢。Chakravarthy Sidhtla、Ledjeff-Hey等人也在降低双极板的成本、提高其性能等方面进行了研究。1.2.4 气体扩散层膜电极的气体扩散层位于催化剂层与双极板之间，扩散层的作用在于支撑催化层，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。对其性能主要有以下要求：(1)气体扩散层是气体到达电催化层的必由之路，应具有高孔隙率和适宜的孔分布，有利于气体的传质；(2)气体扩散层具有收集电流的作用，应该是电的良导体；(3)气体扩散层对电催化层具有支撑作用，应该具有一定的机械强度，适于电催化层的负载；(4)气体扩散层应该是热的良导体，便于PEMFC的热管理：(5)气体扩散层在PEMFC的运行条件(一定的温度、氧化与还原气氛以及电压)下，应该具有一定的化学和电化学稳定性。为了达到上述对气体扩散层的多种要求，目前一般普遍采用石墨化的碳纸和碳布，如日本Foray公司生产和销售的TGP-H碳纸，其厚度一般在100300m之间。为了进一步改善PEMFC的性能，众多的学者和研究人员都提出了在碳纸和催化剂层之间添加水管理层(或扩散层)的方法。该层主要由碳以及疏水的PTFE构成。有实验结果表明在碳纸和催化剂层之间添加水管理层能有效的改善PEMFC性能。Zhigang Qi等发现，在膜电极结构中添加水管理层后，可以避免不同种类的碳纸所引起的性能差异。JMirzazadeh等的研究结果表明，水管理层对电化学反应的动力学性能并没有影响，但能明显提高PEMFC在高电流密度区的性能。Jinhua Chert等重点研究了水管理层的水管理功能。水管理层可以使整个电极内部的水分布更均匀，从而使整个质子交换膜保持均较高质子导电性能；水管理层还可有效地避免质子交换膜缺水以及阴极的淹渍现象，从而使PEMFC性能得到改善。此外，气体扩散层的厚度、PTFE含量以及孔率等均对膜电极MEA的性能具有重要影响。适中的碳载量以及PTFE更有利于改善PEMFC的性能。Chang Sun Kong等在水管理层中添力Li2CO3作为造孔剂，通过热处理使Li2CO3分解成孔，并发现水管理层中孔径的分布比总的孔率对PEMFC性能影响更大。1.3 PEMFC 的工作原理膜电极组件(MEA)是单体电池的心脏，燃料电池反应便发生在此组件上。MEA 位于石墨极板之间，由固体电解质膜、催化剂电极和电极支撑体组成，其厚度不到1mm。电解质膜用热压法粘到电极上，制造膜的材料是过氟化磺酸( 如杜邦公司生产的Nafion系列材料)，它必须在燃料电池工作期间保持充分水化状态，以达到最大限度的质子传导率。PEMFC在常压和低于100下工作。PEMFC的工作原理图如图1-2 所示，PEMFC的电极反应类同于其他酸性电解质燃料电池。当PEMFC工作时，由双极板向MEA供给纯氢或混有二氧化碳的氢气以及氧化剂( 如空气) ，反应物穿过多孔的碳电极载体进入铂催化层，氢燃料在阳极上发生反应，生成电子和氢离子：H22H+2e- E= 0. 000 V 氢离子通过质子导电膜电解质到达阴极，并在阴极与电子和空气提供的氧结合成水： 1/2O2+2H+2e-H2O E= 1. 234 V 图1-2 PEMFC的组成及工作原理示意图这样，氢和氧通过PEMFC结合产生电力，并生成副产品水和热量:1/2 O2+ H2H2O Ecell= 1. 234 V 从图1-3可以看出，氢气由阳极进入燃料电极，由于铂催化剂的作用，变成两个H+和两个电子，电子通过外循环电路，回到电池的阴极，氢离子通过质子导电膜电解质到达阴极。同时O2在燃料电池的阴极通过催化剂形成两个O原子，每一个O原子都有一个强的负电荷，这负电荷通过膜吸引两分子的H+，在这里两个H+，一个O原子和两个电子形成一分子的水。所以只要向燃料电池不断供给燃料和氧化剂，它就会不断的产生直流电。双极板一般用纯石墨制成，它上面有一些机械加工的沟槽，供氢气和空气进入，也供排水用。反应产生的热量由冷却片散发。目前，PEMFC一般在80 90下工作，产生的热量尚不能有效利用。将若干个MEA串联起来可构成电池组，提供1 25kw 动力，再把电池组串联成电池堆，这样便可提供足够的动力，用于驱动小骄车(50kw)、公共汽车( 200kw) ，或者作为供电站的动力源。第2章 质子交换膜燃料电池的技术与发展2.1质子交换膜燃料电池的发展状况质子交换膜燃料电池由于其独特的优越性被世界各国广泛关注，包括中国在内的世界各国都在不同层次的进行着质子交换膜燃料电池的研究开发，当然各国更加关注的是将其应用到实践中，现在各国已经在不同程度上使质子交换膜燃料电池在实际中得到应用。2.1.1国际上的发展情况 1、美国美国能源部的报告指出燃料电池的研制开发已达到历史性突破边缘，欧、美、日的激烈竟争已进入冲刺阶段。燃料电池技术将成为二十一世纪汽车工业竞争的焦点。为此，美国政府在十余年来，已投入约二十亿美元用于研制开发。美国的几大汽车公司、电力公司和国际部也分别投入数亿美元，用于汽车、电站及军用产品的开发。2、加拿大加拿大巴拿德公司在政府投入巨额资金的支持下，在质子交换膜燃料电池的技术上处于世界最高水平。巴拿德公司1993年研制出了世界第一台质子交换膜燃料电池公交车样车，近几年又研制制造数台样车，其大客车功率达205kw。巴拿德公司在其中得到加拿大和美国政府有关部门近200万美元的资金支持。这些样车分别在加拿大BC省、美国芝加哥、洛杉矶试运行。巴拿德公司还在政府支持下研制电站移动电源，潜艇方面取得巨大进展。3、德国奔驰汽车公司自1993年投入数千万美元研制质子交换膜燃料电池汽车1995年研制出欧洲第一辆50千瓦面包车并进行试运行。德国HDW造船公司以680美元购买巴拿德公司研制的质子交换膜燃料电池用于制造潜艇，德国使用质子交换膜燃料电池为动力的212型潜艇于2004年左右开始服役。4、日本1981一1990年日本政府的“月光工程” 投入2.03亿美元用于燃料电池技术研制，其后又制定了“新阳光工程” 。 准备从1993年到2020年准备投入110亿美元，用于燃料电池的年开发应用。丰田公司已展示功率20 kw燃料电池的小轿车。丰田、东芝等公司也纷纷投入燃料电池汽车的研制。5、国际合作1997年，国际上，在质子膜燃料电池研制开发应用上的一个具有重大意义的举措是，1997年4月巧日奔驰公司以每股35加元购买巴拿德公司25 % 股权，共计1.98亿加元。12月15日福特汽车公司以6.5亿加元购买巴拿德公司15 % 股份，并于2004年使质子交换膜燃料电池汽车生产达到十万辆的能力，实现商业化目标。同时，美国最大的电力公司GPU公司，法国GSC公司也同巴拿德公司合作，投入上亿美元，建立质子交换膜燃料电池电站生产厂，生产250 kw电站，初期生产能力将在年5060套以上。由此，质子交换膜燃料电池已成为世界各大工业国家争夺竞争的一个重大目标，因为它将在电力、汽车等支柱工业上成为21世纪的新型产业。2.1.2国内发展情况60年代初，我国即开始研制燃料电池，但由于各种原因终搁置。1997年原国家科委批准了“燃料电池技术”为国家“九五”计划中重大科技攻关项目之一，其中PEMFC为主要研究项目。目前PEMFC已由基础性研究拓展至PEMFC系统和样机的研制，有望在不远的将来取得可喜成果。近些年，燃料电池的研制开发又提到议事日程上，尽管财力物力极为困难，技术难度极大，仍有十几个以上单位在艰苦努力的研制，并取得很大进展。( 1) 富原公司。自1996年至今，已研制完成505000w各种型号质子交换膜燃料电池样机。在此基础上，可以满足我国在各方面对质子交换膜燃料电池实用大功率样机的需求。富原公司已在燃料电池技术上在国内报了部分专利，随之发展将陆续申报有关专利。同时，还有许多诀窍是富原公司拥有的独特技术与资本。( 2) 中科院大连化物所。中国科学院大连化学物理研究所从1993年开展质子交换膜燃料电池工作的研究，目前已掌握了一系列PEMFC的关键技术，并于1998年1月展示了他们完成的1 000w质子交换膜燃料电池，并抓紧尽快完成1kw 10 kw样机。大连化学物理所承担的863攻关项目再生氢氧燃料电池也于2000年通过国家有关部门的验收。2001年1月，中国科学院大连化学物理研究所、电工研究所和第二汽车制造厂试验燃料电池中巴车获得成功；2001年3月16日，中国科学院在大连化学物理所召开了“510kw质子交换膜燃料电池开发”的成果鉴定会。经鉴定委员会确认，该所成功地开发出薄金属双极板额定功率为5 10kw的电池组。 ( 3) 清华大学、华中工学院、华南工学院、石油大学、武汉大学等也在进行质子交换膜燃料电池的研究工作。1998年1月，国家科委决定将燃料电池列为“九五” 科技攻关项目。其中，质子交换膜燃料电池为主攻项目。在2008年北京奥运会期间，全国共有500辆新能源燃料电池汽车组成“绿色车队”，投入示范运营，其中，由上海燃料电池汽车动力系统有限公司、同济大学、上汽集团等提供动力系统，上海大众汽车有限公司负责制造的20辆(有18辆车的氢燃料电池发动机是由上海神力科技有限公司研制提供的)帕萨特领驭氢能源燃料电池轿车是我国第一批获得上路许可准入的新能源燃料电池汽车。这批汽车经过了严格的安全性、耐久性检测，每辆车都完成了安全驾驶3000km的检测，这是我国自主研发燃料电池汽车走出实验室以来的首次规模化的示范运行活动，也是我国节能与环保尖端科技成果面向世界的一次展示。华南理工大学独立研发的300kw质子交换膜燃料电池示范电站于2009年年底已悄悄启用，项目投资1850万元，占地仅2000平方米,是一个“微型”的发电厂。该发电厂彻底颠覆传统煤电模式，能量利用率可达90%。目前这一项目已得到华电、粤电的“青睐”,相关部门正在洽谈在大学城建设一个600010000kw燃料电池发电厂，而华工的教授也计划将广州的公交车能源更换为燃料电池。2.2质子交换膜燃料电池的关键技术PEMFC 与其它种类燃料电池结构类似，由阳极、阴极和质子交换膜以及双极板构成，其中双极板起到传递气体和反应物的功能； 阳极和阴极上载有电催化剂，燃料和氧化剂分别在此完成气体的分散和电化学反应； 质子交换膜担负着传导质子和分隔燃料和氧化剂的功能。它们的结构和性能对PEMFC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究、设计工作也构成了PEMFC的关键技术。2.2.1高效、新型电催化剂的研究电极催化剂对于燃料电池来说至关重要，催化剂的催化效率决定了电极的反应速率，也就决定了燃料电池的效率。常用的催化剂大致有以下几类：(1) 铂催化剂。目前，PEMFC使用的是以活性炭、炭黑以及石墨炭材料为载体的铂催化剂分散于不同的载体中，制成复合电极材料，是提高铂催化剂利用率的有效途径。碳纳米管具有极大的比表面积和良好的导电性，被认为是一种良好的催化剂载体。Rajalakshmi N 等人通过乙烯基乙二醇和铂盐制得了负载量为32.5 %的碳纳米管载铂催化剂，分析发现铂沉积在碳纳米管表面之前用低浓度的硝酸处理碳纳米管，可以增加催化剂的催化活性。Smirnova A等人采用凝胶碳做载体，利用丝网印刷技术成功制备了Pt / C阳极催化剂Pt的负载量为0. 060.6mg/cm2 。Ysmael Verde- Gomez等人研究发现加热分解Pt ( NH4 ) 2Cl6可以得到分布均匀的Pt 催化剂。(2) 铂合金催化剂。重整碳氢化合物得到的氢气中常常含有CO杂质，CO会使催化剂中毒，使其催化能力大大降低。通过Pt和Ru（钌）的协同作用，Pt- Ru 催化剂对CO具有抗毒能力，使电池维持较高的性能。Adzic等人将Ru沉积在碳载体表面，然后再将Pt 沉积在碳载体上，可以得到催化性能及抗CO性能良好的催化剂，并且铂的用量大大降低。周伟江等人在铂中掺入Sn、Ru、W、Pd 等制备了二元合金催化剂。催化活性顺序为: Pt 1Sn1 / C> Pt 1Ru1 / C> Pt 1W1 / C > Pt1 Pd1 / C> Pt/ C( 下标为质量之比)。Parageorgopoulos D C等人发现在Pt- Ru中掺入原子百分比为20 at.%的Mo（钼），能够提高PtRu / C催化剂的抗CO性能。( 3) 铂- 氧化物及非铂系催化剂。周帅林等人研制出抗毒性和稳定性良好的Pt / - Al2O3催化剂。Attila Wootsch 等人制备了性能优异的Pt/CeO2 ，但是只适合运行温度在130 以下的PEMFC。Jong Won Park 等研制了Cu - Ce/-Al2O3和Cu- Ce- Co/-Al2O3电催化剂，并发现后者更适合做PEMFC的电催化剂。俄罗斯的Frukin AN Institute o f Electro chemistry RAS的研究人员对非铂催化剂进行了比较系统的研究。2.2.2新型质子交换膜的研究PEMFC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，使电池性能下降，因此限制了PEMFC的发展。自从20 世纪60年代末采用了美国杜邦公司开发的全氟磺酸质子交换膜( Nafion膜) ，由于它表现出优良的稳定性和高的质子传导率，使得PEMFC有了飞跃的发展，尽管它在性能和成本上存在着不足，至今仍被PEMFC普遍使用。在此之后，世界许多国家都相继开展了PEMFC用质子交换膜的研究开发工作，先后开发出多种全氟磺酸型膜材料，如美国Dow化学公司的Dow膜、日本旭硝子和旭化成公司生产的Flemion膜和Aciplex膜，但是由于它们的价格较高，而限制了其大规格应用。为了进一步提高PEMFC的性能，加速它的应用开发，必须对质子交换膜进行改进，包括提高膜的离子交换容量、降低膜厚度以减小膜电阻、降低膜的制作成本等。解决上述问题的方法有两种: 一是减少全氟离子交换树脂的用量，采用将Nafion树脂与其它非氟材料结合制备复合膜（如Nafion/TiO2、Nafion/SiO2）的方法；二是开发新型抗氧化、低成本的膜材料。加拿大的Ecole Polytechniqe公司生产的NASTA、NASTHI、NASTAHTI系列膜，是将Nafion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高，膜的水吸收能力也比Nafion膜和Dow膜大，说明膜的化学性质发生了变化。加拿大的Ballard公司在新型质子交换膜方面做了大量的工作，其中BAM3G 膜是用取代的三氟苯乙烯与三氟苯乙烯共聚制得共聚物，再经磺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摩擦阻力系数EW，高的工作效率，并且使BallardMK5单电池的寿命提高到15000h，成本也较Nafion膜和Dow膜低得多，更易被人们接受。非氟化烃类聚合物膜用于燃料电池的主要问题是它的化学稳定性，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、聚苯并咪唑等，因此有许多人在研究如何将它们经过质子化处理用于PEMFC。例如，将价格低廉的工程树脂聚苯并咪唑( PBI)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PBI/无机酸复合膜在高温时具有良好的电导率，质子在膜中的传递不