燃料電池課件Fuelcell燃料電池課件主要內容1.燃料電池介紹2.質子交換膜燃料電池材料3.堿性燃料電池材料4.磷酸型燃料電池材料5.直接醇類燃料電池材料主要內容1.燃料電池介紹6.熔融碳酸鹽燃料電池材料7.固體氧化物燃料電池材料8.金屬/空氣燃料電池材料9.燃料電池的應用與前景6.熔融碳酸鹽燃料電池材料1.燃料電池介紹1.燃料電池介紹

3.1.1

簡介

(1)什么是燃料電池？簡單地說，燃料電池1(FuelCell，簡稱FC)是一種將存在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的電化學裝置。

作為一種新型化學電源，燃料電池是繼火電、水電和核電之后的第四種發電方式．與火力發電相比，關鍵的區別在于燃料電池的能量轉變過程是直接方式，如圖1-1

所示．3.1.1簡介傳統技術熱能動能電能

燃料電池化學能圖1-1燃料電池直接發電與傳統間接發電的比較熱能動能電能燃料電池化學能圖1-1燃料電池直接發燃料電池課件(2)

燃料電池發展過程中的重大事件

1839年，格羅夫發明“氣體伏打電池”，格羅夫也被稱為“燃料電池之父”；

1889年，蒙德和朗格爾改進氫氧“氣體電池”并正式確定其名稱為“燃料電池”；

1896年，雅克研制成功第一個數百瓦（大約300瓦）的煤燃料電池；

1897年，能斯特發明“能斯特物質”----YSZ（85%ZrO2+15%Y2O3),該物質是目前廣泛使用的高溫固體氧化物燃料電池的電解質材料；

1899年，施密特發明第一個空氣擴散電極；

1959年，培根和弗洛斯特研制成功6KW堿性燃料電池系統,并用來驅動叉車、圓盤鋸和電焊機；

1959年，艾麗斯-查爾莫斯公司開發出第一輛堿性燃料電池拖拉機，可以推動3000lb(1lb=0.4536kg)的重物；(2)燃料電池發展過程中的重大事件1839年，

1960年，通用電氣公司開發成功質子交換膜燃料電池；

1962年，質子交換膜燃料電池應用于雙子星座飛船；

1965年，堿性燃料電池用于阿波羅登月飛船；

1967年，通用汽車開發成功第一輛堿性燃料電池電動汽車Electrovan；

1970年，科爾地什組裝了第一輛堿性燃料電池-鉛酸電池混合動力轎車；

1972年，杜邦公司和格羅特發明了全氟磺酸質子交換膜；

1979年，在美國紐約完成了4.5MW磷酸燃料電池電廠的測試；

1986年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）開發成功第一輛磷酸燃料電池公共汽車；

(2)燃料電池發展過程中的重大事件(2)燃料電池發展過程中的重大

1986年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發成功第一輛磷酸燃料電池公共汽車；

1988年，第一艘堿性燃料電池潛艇在德國出現；

1991年，日本千葉縣的11MW磷酸燃料電池試驗電廠達到設計功率；

1993年，巴拉德電力系統公司開發成功第一輛質子交換膜燃料電池公共汽車；

1996年，美國加利福尼亞州的2MW熔融碳酸鹽燃料電池試驗電廠開始供電；

-----------(2)燃料電池發展過程中的重大事件1986年，洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發成功第一輛3.1.2燃料電池的構造燃料電池陰極陽極

電解質3.1.2燃料電池的構造燃料電池陰極陽極電解質

典型的燃料電池的構造如右下圖所示．在陽極（負極）上連續吹充氣態燃料，如2氫氣．在陰極（正極）上連續吹充氧氣（或由空氣提供），這樣就可以在電極上連續發生電化學反應，并產生電流．由于電極上發生的反應大多為多相界面反應，

為提高反應速率，電極

一般采用多孔材料．各

種燃料電池的材料也都

有各自的特點．

燃料電池的基本反應燃料電池的基本反應3.1.3燃料電池(FuelCell)與電池（Battery)的區別（1）相同點：將化學能轉變為電能的裝置，有許多相似之處。（2）不同點：燃料電池是能量轉換裝置

電池是能量儲存裝置。

3.1.3燃料電池(FuelCell)與電池（Batte

一次電池：化學能儲存在電池物質中,當電池放電電時,電池物質發生化學反應，直到反應物質全部反應消耗完畢，電池就再也發不出電了．所以原電池所發出的最大電能等于參與電化學反應的化學物質完全反應時所產生的電能．

二次電池：利用外部供給的電能，使電池反應向逆方向進行，再生成電化學反應物質．從能量角度看，就是將外部能量充給電池，使其再發電，實現反復使用的功能．燃料電池：從理論上講,只要不斷向其供給燃料

(陽極反應物質，如H2),及氧化劑(陰極反應物質，如O23)，就可以連續不斷地發電,因而其容量是無限的.實際上，由于元件老化和故障等原因，燃料電池有一定的壽命．

嚴格地講，燃料電池是電化學能量發生器，是以化學反應發電；一次電池是電化學能量生產裝置，可一次性將化學能轉變成電能；二次電池是電化學能量的儲存裝置，可將化學反應能與電能可逆轉換。

3.1.4

燃料電池的工作原理

雖然燃料電池的種類很多并且不同類型的燃料電池的電極反應各有不同，但都是由陰極﹑陽極﹑電解質這幾個基本單元構成，其工作原理是一致的。

3.1.4燃料電池的工作原理雖然燃料電池的

燃料氣（氫氣﹑甲烷等）在陽極催化劑的作用下發生氧化反應，生成陽離子并給出自由電子；氧化物（通常為氧氣）在陰極催化劑的作用下發生還原反應，得到電子并產生陰離子；陽極產生的陽離子或者陰極產生的陰離子通過質子導電而電子絕緣的電解質運動到相對應的另外一個電極上，生成反應產物并隨未反應完全的反應物一起排到電池外，與此同時，電子通過外電路由陽極運動到陰極，使整個反應過程達到物質的平衡與電荷的平衡，外部用電器就獲得了燃料電池所提供的電能。燃料電池課件

下面以簡單的酸性電解質氫氧燃料電池為例說明燃料電池的工作原理。

氫氣作為燃料被通入燃料電池的陽極，發生如下氧化電極反應

H2+2H2O2H3O++2e-

氫氣在催化劑上被氧化成質子，與水分子結合成水合質子，同時釋放出兩個自由電子。

電子通過電子導電的陽極向陰極方向運動，而水合質子則通過酸性電解質往陰極方向傳遞。在陰極上，氧氣在電極上被還原，發生如下電極反應

O2+4H3O++4e-6H2O

氧氣分子在催化劑的作用下，結合從電解質傳遞過來的水合質子以及外電路傳遞過來的電子，生成水分子。總的電池反應為：

2H2+O22H2O下面以簡單的酸性電解質氫氧燃料電池為例說明燃料電

從此可以看出，燃料電池是一個能量轉化裝置，只要外界源源不斷地提供燃料和氧化劑，燃料電池就能持續發電。

從根本上講，燃料電池與普通一次電池一樣，是使電化學反應的兩個電極半反應分別在陰極和陽極上發生，從而在外電路產生電流來發電的。所不同的是，普通一次電池，例如鋅錳電池，是一個封閉體系，與外界只有能量交換而沒有物質交換。換句話說，電池本身既作為能量的轉換場所也同時作為電極物質的儲存容器，從此可以看出，燃料電池是一個能量轉化

當反應物消耗完時電池也就不能繼續提供電能了。而燃料電池是一個敞開體系，與外界不僅有能量的交換，也存在物質的交換。外界為燃料電池提供反應所需的物質，并帶走反應產物。從這種意義上講，某些類型的電池也具有類似燃料電池的特征，例如鋅空電池，空氣4由大氣提供，不

斷更換鋅電極可以使電池持續工作。

當反應物消耗完時電池也就不能繼續提供電能了。而燃3.1.5燃料電池的類型和各類型的特點

燃料電池的種類很多，分類方法也有多種。表5-1的分類方式概括了所有類型的燃料電池。3.1.5燃料電池的類型和各類型的特點表5-1燃料電池分類

直接型

間接型

再生型（產物再生為反應物）

低溫(200℃)

中溫(200～750℃)

高溫(750℃)重整型生化型氫-氧有機物-氧氮化物-氧金屬-氧氫-鹵素金屬-鹵素氫-氧有機物-氧氨-氧氫-氧CO-氧天然氣石油甲醇乙醇煤氨葡萄糖碳水化合物尿素熱再生充電再生光化學再生放射化學再生表5-1燃料電池分類燃料電池堿性燃料電池（AFC）磷酸燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）固體氧化物燃料電池（SOFC）質子交換膜燃料電池（PEMFC）H2/O2質子交換膜燃料電池直接甲醇燃料電池（DMFC）燃堿性燃料電池（AFC）磷酸燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽燃表5-2

五種燃料電池特點

種類AFCPAFCMCFCSOFC

PEMFC電解質電解質KOHH3PO4LiCO3,K2CO3ZrO2+Y2O3離子交換膜（特別是陽離子交換膜）工作溫度范圍低于260190～210600～700約1000

約85

腐蝕性

中

強

強

無

無氧化劑純氧空氣極板材料鎳石墨鎳，不銹鋼陶瓷石墨，金屬表5-2五種燃料電池特點種類AFCPAFCMC

種類

AFC

PAFC

MCFC

SOFCPEMFC催化劑陽/陰極鎳/銀系鉑系鎳/氧化鎳鎳LaMnO3或LaCoO3鉑系燃料電解純氫天然氣，輕質油，甲醇等重整氣天然氣，甲醇等重整氣，煤氣天然氣，甲醇，煤氣天然氣，甲醇等重整氣發電效率45～5040～4550～6555～7030～40表5-2

五種燃料電池特點優點啟動快；室溫常壓下工作對CO2不敏感；成本相對較低空氣做氧化劑、天然氣或甲烷做燃料空氣做氧化劑、天然氣或甲烷做燃料空氣做氧化劑；固體電解質；室溫工作；啟動迅速種類AFCPAFCMCFCSOFCPE種類

AFC

PAFC

MCFC

SOFC

PEMFC可應用領域航天，特殊地面，廣泛特殊需求，區域供電區域供電，聯合發電區域供電電汽車，潛艇，可移動動力源缺點需以純氧做氧化劑；成本高對CO敏感；啟動慢；成本高工作溫度較高工作溫度過高對CO非常敏感；反應物需要加濕表5-2

五種燃料電池特點種類AFCPAFCMCFCSOFCPEM燃料電池工作溫度低溫燃料電池

高溫燃料電池

AFCPEMFC

PAFCMCFCSOFC

燃工作低溫燃料電池高溫燃料電池AFCPEMFCPAF幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池(DCFC)特殊燃料電池幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池(DCFC)特殊燃料電池燃料是液態的甲醇，發展迅速，商業潛力大幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池(DCFC)特殊燃料電池以氫為基礎的利用可再生能源的閉合循環發電系統幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電池(RFC)直接碳燃料電池(DCFC)特殊燃料電池唯一使用固體燃料的燃料電池幾種特殊類型的燃料電池直接甲醇燃料電池(DMFC)再生燃料電3.1.6

燃料電池的特性

特性優點存在問題燃料來源廣泛高效率可靠性高良好的環境效應良好的操作性能靈活性高發展潛力大3.1.6燃料電池的特性特優點存在燃料來源廣泛高效率可靠(1)高效率

在燃料電池中,燃料不是被燃燒變為熱能,而是直接發電,不受卡諾熱機效率的限制。理論上講，燃料電池可將燃料能量的90%轉化為可利用的電和熱，實際效率可望在80%以上

。這樣的高效率是史無前例的。(1)高效率燃料電池課件

燃料電池的效率與其規模無關，因而在保持高燃料效率時，燃料電池可在其半額定功率下運行。

封閉體系蓄電池與外界沒有物質的交換,比能量不會隨時間變化,但是燃料電池由于不斷補充燃料,隨著時間延長,其輸出能量也越多。

燃料電池發電廠可設在用戶附近，這樣可大大減少傳輸費用及傳輸損失。燃料電池的另一個特點是在其發電的同時可產生熱水和蒸汽。其電熱輸出比約為1.0，而汽輪機為0.5。這表明在相同的電負荷下，燃料電池的熱載為燃燒發電機的2倍。

燃料電池的效率與其規模無關，因而在保持高燃料效率（2）可靠性

與燃燒渦輪機循環系統或內燃機相比，燃料電池的轉動部件很少，因而系統更加安全可靠；電池組合是模塊結構,維修方便；處于額定功率以上過載運行時,它也能承受而效率變化不大；當負載有變化時,它的響應速度也快。燃料電池系統發生的惟一事故就是效率降低。（3）良好的環境效益

當今世界的環境問題已經威脅到了人類的生存和發展。據統計，本世紀經歷了兩次世界大戰，但是因為環境污染造成的死亡人數卻超過了戰爭的死亡人數。而環境污染的發生，大多數是由于燃料的使用，尤其是各種燃料的燃燒過程。因而，解決環境問題的關鍵是要從根本上解決能源結構問題，研究開發清潔能源技術。而燃料電池正是符合這一環境需求的高效潔凈能源。（2）可靠性

燃料電池發電廠排放的氣體污染物僅為最嚴格的環境標準的十分之一，溫室氣體CO2的排放量也遠小于火力發電廠。燃料電池中燃料的電化學反應副產物是水，其量極少，而且比一般火力發電廠排放的要清潔得多。因而，燃料電池不僅消除或減少了水污染問題，也無需設置廢氣控制系統。燃料電池發電廠沒有火力發電廠那樣的噪聲源，因而工作環境非常安靜；不產生大量廢棄物，因而占地面積也少。燃料電池是各種能量轉換裝置中危險性最小的。這是因為它規模小，無燃燒循環系統，污染物排放量極少。燃料電池發電廠排放的氣體污染物僅為最嚴格的環境標燃料電池課件

燃料電池的環境友好性是使其具有極強生命力和長遠發展潛力的主要原因。

（4）良好的操作性能

燃料電池具有其它技術無可比擬的優良的操作性能，節省了運行費用。其發電系統對負載變動的響應速度快，無論處于額定功率以上的過載運行或低于額定功率的低載運行，它都能承受，并且發電效率波動不大，供電穩定性高。

（5）靈活性

燃料電池發電廠可在2年內建成投產，其效率與規模無關，可根據用戶需求而增減發電容量。這對電力公司和用戶來說是最關鍵的因素及經濟利益所在。燃料電池發電系統是全自動運行，機械運動部件很少維護簡單，費用低，適合用做偏遠地區﹑環境惡劣以及特殊場合（如空間站和航天飛機）的電源。燃料電池的環境友好性是使其具有極強生命力和長遠發

燃料電池電站采用模塊結構，由工廠生產各種模塊，在電站現場集成，安裝，施工簡單，可靠性高，并且模塊容易更換，維修方便。（6）燃料來源廣泛

燃料電池可以使用多種初級燃料，如天然氣﹑煤氣﹑甲醇﹑乙醇﹑汽油，也可以使用發電廠不宜使用的低質燃料，如褐煤﹑廢木﹑廢紙，甚至城市垃圾，當然這些燃料需經過重整處理后才能使用。（7）發展潛力

燃料電池在效率上的突破，使其可與所有的傳統發電技術競爭。作為正在發展的技術，磷酸燃料電池已有了令人鼓舞的進展。熔鹽碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池，將在未來15～20年內產生飛躍性進步。而其它傳統的發電技術，如汽輪機﹑內燃機等，由于價格﹑污染等問題，其發展似乎走到了盡頭。燃料電池電站采用模塊結構，由工廠生產各種模塊，在3.1.6

燃料電池的特性

特性優點存在問題市場價格昂貴高溫時壽命及穩定性不理想燃料電池技術不夠普及沒有完善的燃料供應體系3.1.6燃料電池的特性特優點存在市場價格昂貴高溫時壽命3.1.7燃料電池的應用

燃料電池可以作為宇宙飛船，人造衛星，宇宙空間站等航天系統的能源，也可以用于并網發電的高效電站；它可以作為大型廠礦的獨立供電系統，也可作為城市工業區，繁華商業區，高層建筑物，邊遠地區和孤立海島的小型供電站，此外，它還能用于大型通信設備和家庭的備用電源以及交通工具的牽引動力等。

3.1.7燃料電池的應用燃料電池可以

五種燃料電池各自處于不同的發展階段。

AFC是最成熟的燃料電池技術，其應用領域主要在空間技術方面。在歐洲，AFC在陸地上的應用一直沒有間斷。

PAFC試驗電廠的功率達到1.3～11MW，50～250KW的工作電站已進入商業化階段，但成本較高。

MCFC和SOFC被認為最適合供發電，MCFC試驗電廠的功率達到MW級，幾十至250KW工作電站接近商業化。SOFC的研究開發仍處于起步階段，功率小于100KW。

PEMFC在90年代發展很快，特別是作為便攜式電源和機動車電源，但目前的成本太高，還無法與傳統電源競爭。

五種燃料電池各自處于不同的發展階段。應用方面可移動電源便攜式電源航空電源應急電源計算機電源電動車電動船居民熱電聯供現場熱電聯供分散式電站大型發電站幾瓦～1KW5～200KW200KW～1MW2～20MW100-300MW應用方面可移動電源便攜式電源航空電源應急電源計算機電源電動車3.1.8燃料電池待開發的課題

燃料電池還沒有定型，人們改進燃料電池的熱情一

直未減。新型直接甲醇燃料電池，高溫質子交換膜燃料

電池，低溫固體氧化物燃料電池和微型燃料電池正在發

展中，新技術﹑新材料﹑新工藝不斷涌現。燃料電池的

發展目標必須定位在投資成本能與其它發電方式競爭，

而不是只是依靠高效率﹑低排放﹑安裝維護簡單﹑可靠

性好﹑長壽命﹑低污染﹑適應性強等優勢去影響市場。待開發的課題具體見表8-1。3.1.8燃料電池待開發的課題燃料電池還沒有定表8-1

燃料電池待開發的課題種類

AFC

PAFC

MCFCSOFC

PEMFC待開發的課題氧化劑中的CO2使電解液劣化；水和熱平衡控制；純氫燃料利用技術的改進廉價催化劑的開發或鉑使用量的降低；延長系統壽命，降低成本提高工作壓力；提高輸出電流密度；延長電堆壽命，降低成本改善電池結構；優質耐熱材料；電解質薄膜化提高電堆材料的性能和壽命；開發大批量制作技術；電池熱量和水的管理；降低鉑使用量表8-1燃料電池待開發的課題種類AFCPAFC2.質子交換膜燃料電池材料2.質子交換膜燃料電池材料關鍵部件雙極板膜電極質子交換膜電催化劑關鍵部件雙極板膜電極質子交換膜電催化劑

(1)概念

起支撐、集流、分割氧化劑與還原劑作用并引導氧化劑和還原劑在電池內電極表面流動的導電隔板通稱為雙極板。3.2.1

雙極板(1)概念3.2.1雙極板（2）雙極板的功能與特點功能特點分割氧化劑與還原劑集流作用支撐膜電極、保持電池堆結構穩定不能用多孔透氣材料電的良導體具有一定的強度適應電池的工作環境，具有抗腐蝕能力熱的良導體（2）雙極板的功能與特點功特分割氧化劑集流作用支撐膜電極、不(3)

雙極板的種類廣泛采用石墨板金屬板復合雙極板(3)雙極板的種類廣石墨板金屬板復合雙極板（a）石墨板石墨板無孔石墨板注塑石墨板（a）石墨板石無孔石墨板注塑石墨板無孔石墨板的優缺點優點化學穩定性好電導率高阻氣性能好缺點：比較脆，機械加工加大難度，成本提高。無孔石墨板的優缺點優點化學穩定性好電導率高阻氣性能好缺點：比

加拿大Ballard公司所發展的Mark500(5KW)、Mark513(10KW)和Mark700(25-30KW)電池組均采用無孔純石墨雙極板。加拿大Ballard公司所發展注塑石墨板

主要采用石墨粉或炭粉與樹脂（酚醛樹脂、環氧樹脂等）、導電膠黏劑相混合，有的還在混合物中加入金屬粉末、細金屬網以增加其導電性，加入碳纖維、陶瓷纖維以增加其強度。優點：降低了成本，縮短了生產周期。

Emanuelson將純石墨粉和炭化熱固化樹脂各50%混合注塑成所需的雙極板，然后石墨化，得到3.8mm厚的石墨板，電阻率和純石墨相比提高了約10倍，比較適合用于磷酸鹽燃料電池和質子交換膜燃料電池。該雙極板化學穩定性好，降低了機加工費用。注塑石墨板主要采用石墨粉或炭粉與樹脂（酚醛樹脂、環氧樹（b）金屬板優點好的導電及熱傳導性能金屬的氣體不透過性使其成為阻隔氧化劑和還原劑的理想材料金屬材料良好的機加工性能使得流場的加工非常簡單（b）金屬板優點好的導電及熱傳導性能金屬的氣體不透過性使其成常用的金屬雙極板鋁316#不銹鋼23鈦5鎳常用的金鋁316#不銹鋼23鈦5鎳金屬板的制作極板成型表面處理表面涂層金屬板極板成型表面處理表面涂層金屬板的缺點

缺點：金屬材料耐腐蝕性能比較差，滿足不了燃料電池長期穩定運行的需要，表面鈍化會導致雙極板和膜電阻擴散層接觸電阻增大，降低燃料電池輸出功率。金屬板的缺點缺點：金屬材料耐腐蝕性能比較差（c）復合雙極板復合雙極板金屬基復合雙極板碳基復合材料雙極板（c）復合雙極板復合雙金屬基復合雙極板碳基復合材料雙極板美國LosAlamos國家實驗室開發了金屬基復合雙極板，該金屬基復合雙極板綜合了多孔石墨、聚碳酸酯塑料和不銹鋼等材料的優點。這種復合材料穩定性好，成本低。美國LosAlamos國家實驗室和EnergyPartners公司將石墨粉與熱塑性樹脂均勻混合，有時還需要加入催化劑、阻滯劑、脫模劑和增強劑，在一定溫度下模壓成型。該材料具有制作工藝簡單、周期短、成本低及易于規模化生產的優點。美國LosAlamos國家實驗室開發了金屬基復合雙極板，該3.2.2質子交換膜

質子交換膜是PEMFC的核心元件。燃料電池用的質子交換膜的基本要求為：（1）電導率高（高選擇性地離子導電而非電子導電）（2）化學穩定性好（耐酸堿和抗氧化還原能力）（3）熱穩定性好（4）良好的力學性能（如強度和柔韌性）（5）反應氣體的透氣率低（6）水的電滲曳引系數小（7）作為反應介質要有利于電極反應

（8）價格低廉3.2.2質子交換膜質子交換膜是PEMFC種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸最初嘗試，該膜很脆，干燥時易龜裂種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸最初嘗試，該膜很脆，干種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸較成功，60℃下使用壽命為200小時種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸較成功，60℃種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸即Nafion系列產品，化學穩定性非常好，在燃料電池中使用壽命超過57000小時種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸即Nafion系列產品種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸種類聚苯甲醛磺酸聚苯乙烯磺酸全氟型磺酸（1）全氟磺酸膜這種膜的結構頗似聚四氟乙烯（PTFE），因此具有極高的化學穩定性，尤其是在強氧化還原條件下。和磷酸電解質相比，該膜是一種較為理想的電化學反應介質。貴金屬催化劑在該介質中對氧化還原反應的催化活性比較高。在低濕度或高溫條件下因為缺水導致電導率低。（1）全氟磺酸膜涉及問題水管理問題全氟型磺酸膜具有很高的質子電導率，但質子是以水合離子的形式存在的一氧化碳的中毒效應及燃料的選擇冷卻和熱的回收問題涉及問題水管理問題全氟型磺酸膜具有很高的質子電導率，但質缺點制作困難、成本高對溫度和含水量要求高，最佳工作溫度為70-90℃，超過此溫度會使其含水量急劇下降，導電性迅速下降某些碳氫化合物，如甲醇等滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池的質子交換膜缺點制作困難、成本高（2）全氟型磺酸膜的改性水平衡涉及到的機理：通過加濕反應氣體帶入的水分在電極一側有電化學反應生成的水在電場作用下水從陽極向陰極的電滲傳輸在濃差作用下水從陰極向陽極的擴散陰極空氣尾氣帶走的水分（2）全氟型磺酸膜的改性水平衡涉及到的機理：減少膜的厚度以有利于水的擴散在膜中摻雜吸水性的氧化物納米級顆粒或固體無機質子導體顆粒減少膜的厚度以有利于水的擴散用非水或低揮發性溶劑溶脹的全氟性磺酸膜早在1994年Savinell等嘗試用磷酸處理Nafion膜，在150℃下得到的電導率為0.05S/cm。但是組裝電池沒有成功，不過提供了一條很好的思路。Doyle等采用3-甲基三氟咪唑和3-甲基三氟硼酸鹽來溶脹全氟型磺酸膜，在180℃下得到的電導率達到0.1S/cm。另一種最有可能代替水的有機溶劑是雜環化合物，如咪唑、吡唑或苯并咪唑等。Kreuer等向硫酸中加入雜環化合物后發現濃度為100%的硫酸溶液的電導有顯著增加。Sun等制備了咪唑和咪唑鹽溶液溶脹的無水Nafion膜，在100℃下的無水電導率為10-3S/cm.用非水或低揮發性溶劑溶脹的全氟性磺酸膜早在1994年Savi含聚四氟乙烯的超薄膜超薄膜的優點減小膜的比電阻降低材料成本改善水在膜中的傳輸和分布但技術上的難點是超薄膜的機械強度低，尤其是水溶脹和高溫條件下。含聚四氟乙烯的超薄膜超薄膜減小膜的比電阻降低材料成本改善水在近年來，用多孔聚四氟乙烯加強的復合膜，把這種愿望變成現實。對采用多孔聚丙烯、膨脹的聚四氟乙烯、聚砜和微玻璃纖維絨等復合膜也進行了初步的探索。這些強化膜可以做到5-30μm厚，且具有良好的導電和力學性能。因為膜薄，水從陰極到陽極的反擴散得到加強，水的管理以及膜的平均電導得到改善。近年來，用多孔聚四氟乙烯加強的復合膜，把這種愿望變成現實。含有吸濕性氧化物的復合膜將全氟型磺酸膜改性的另一有效方法是二次澆注含有吸濕性氧化物如SiO2和TiO2等的復合膜。實驗表明，含有這些氧化物的復合膜的吸水性高于一般的Nafion膜。對于二次澆注成膜并經過80℃干燥處理過的Nafion膜，在60℃下的水蒸氣中可以吸水17%（質量),而含有3%（質量）尺寸為7nm的SiO2顆粒的復合膜，其吸水性則為43%（質量）。開發這樣改性膜的一個出發點是為了實現低溫電池運行時的內加濕或稱自加濕技術。后來采用這種復合膜也實現了電池的高溫運轉。該法的功能是單一的，即改善水的保持。含有吸濕性氧化物的復合膜將全氟型磺酸膜改性的另一有效方法是含有固體無機質子導體的復合膜無機固體質子導體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽含有固體無機質子導體的復合膜無機固體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽含有固體無機質子導體的復合膜無機固體質子導體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽具有很好的質子交換能力，有α、γ兩類層狀結構化合物，300℃的溫度范圍內具有很好的質子導電能力含有固體無機質子導體的復合膜無機固體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽具有含有固體無機質子導體的復合膜無機固體質子導體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽其晶體結構中有29個結晶水，具有很高的質子電導率，近年來更大的研究興趣是用于復合膜的開發含有固體無機質子導體的復合膜無機固體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽其含有固體無機質子導體的復合膜無機固體質子導體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽MHXO4,M是大尺寸的金屬質點，如Rb,Cs24或者NH4+,X是S、Se、P或As。含有固體無機質子導體的復合膜無機固體磷酸氫鋯雜多酸酸式鹽MH

CsHSO4隨溫度升高，經過多步的相變，在溫度高于141℃時，其氫鍵處于動態無序的網絡狀態，因此具有較高的質子電導率，可達10-2S/cm數量級。具有較高的熱穩定性和電化學穩定性，且其電導率和周圍氣氛中的相對濕度無關。對它研究更多的努力是制作燃料電池的復合膜。CsHSO4隨溫度升高，經過多步含固體無機質子導體復合膜的制備制備方法將單一或多元的無機組分，例如雜多酸直接混入高分子溶液中進行二次澆注通過離子交換－沉淀的方法將磷酸鋯引進到全氟型磺酸膜中含固體無機質子導體復合膜的制備制備將單一或多元的無機組分，因為其親水性，這些無機組分的存在將降低膜中水的化學勢，為質子的傳輸提供額外的動力。同時，還為水提供了新的形成氫鍵的位置，從而改善膜的水合程度并減少水的揮發和遷移損失。這樣的復合膜可以實現低濕和/或高溫下電池的運行。Staiti等用二氧化硅支持的磷鎢酸與Nafion的混合溶液澆注的復合膜，在145℃下進行了直接甲醇燃料電池試驗，得到的最大功率為400mW/cm2(氧氣）和250mW/cm2(空氣）。Yang等制備了Nafion115-磷酸鋯復合膜，在150℃下的直接甲醇電池試驗，得到了最大功率為380mW/cm2(氧氣）和260mW/cm2(空氣）。因為其親水性，這些無機組分的存在將降低膜中水的化學勢，為質子（3）非全氟磺酸膜及其復合膜

近年來對非全氟的、特別是磺化的碳氫高分子膜的開發研究工作非常活躍。（3）非全氟磺酸膜及其復合膜近非全氟高分子材料的類型含氟高分子材料聚硅氧烷芳香族高分子碳氫化合物非全氟高分子含氟高分子材料聚硅氧烷芳香族高分子碳氫化合物C-HC-CC-F350-435350-410485幾個鍵的鍵能（kJ/mol)

因此含有C-F鍵的高分子材料具有良好的熱和化學穩定性，例如聚四氟乙烯。C-HC-CC-F350-435350-410485幾個鍵的聚四氟乙烯-六氟丙烯（FEP)膜的研究工作主要是瑞士Scherer教授的研究組進行的。FEP膜首先經輻射處理，然后以聯乙烯苯為交聯劑，將苯乙烯基團連接上去，最后通過磺化芳香基團使其成為質子導體。最近報道，采用這種膜在85℃實現了電池運行壽命5000h以上。聚偏二氟乙烯（PVDF)的主要研究工作是芬蘭的Sundholm教授的研究組進行的。通過把物理化學穩定性好的PVDF和電導率高的磺化聚苯乙烯結合，得到的膜具有較好的吸水性和較高的電導率。聚四氟乙烯-六氟丙烯（FEP)膜的研究工作主要是瑞士Sche非全氟高分子材料的類型含氟高分子材料聚硅氧烷芳香族高分子碳氫化合物非全氟高分子含氟高分子材料聚硅氧烷芳香族高分子碳氫化合物Si-O鍵的鍵能為445kJ/mol,略高于C-H鍵和C-C鍵。一般地，無機Si-O網絡是在高溫下形成的。用芳基磺酸或烷基磺酸化的苯環，得到的聚苯磺酸硅氧烷，室溫電導率為10-2S/cm,且在200℃以下具有良好的化學和熱穩定性以及透明性。Si-O鍵的鍵能為445kJ/mol,略高于C-H鍵和C-C非全氟高分子材料的類型含氟高分子材料聚硅氧烷芳香族高分子碳氫化合物非全氟高分子含氟高分子材料聚硅氧烷芳香族高分子碳氫化合物芳香高分子碳氫化合物一般說來價格低廉。從化學角度，其具有良好的抗氧化能力，因為苯環中的C-H鍵的鍵能為435kJ/mol,高于線性C-H鍵的鍵能（350kJ/mol).完全由苯環構成的高分子材料如聚對亞苯具有非常好的抗氧化性能和高于500℃的軟化溫度，但缺少柔韌性且難以加工成型。所以較多的是在苯環鏈上帶有一個或多個使其柔韌化的原子或原子團。聚苯硫醚（PPS)帶有硫原子，聚苯醚(PPO)中帶有氧原子。PPS一般呈晶體，熔化溫度為285℃，在連續使用溫度200℃以上具有很好的抗氧化性能。PPO中的-C-O-C-鏈本身具有良好的柔韌性和抗氧化性能。芳香高分子碳氫化合物一般說來價格低廉。從化學角度，其具有良好

為了得到質子導電能力，一般將高分子碳氫化合物進行后功能化處理，即通過化學反應將一個陰離子基團，最典型的是磺酸基（-SO3-)引進到碳氫結構中。為了得到質子導電能力，一般將高分子非全氟高分子材料的磺化利用濃硫酸、氯磺酸，三氧化硫或其與三乙基磷酸鹽的絡合物進行直接磺化。鋰化-亞磺酸化-再氧化法。把一個含有磺酸的基團通過化學反應嫁接到高分子鏈上。經輻射處理和交聯聯接，再磺化芳香基團。采用帶有磺酸基團的單體進行合成。非全氟高分子材料的磺化利用濃硫酸、氯磺酸，三氧化硫或其與三乙廣泛研究的磺化體系廣泛研究體系聚砜或聚乙烯砜聚苯并咪唑

聚酰亞胺聚對亞苯聚苯硫醚聚苯醚聚4-苯氧苯甲酰基-1，4-亞苯廣泛研究的磺化體系廣泛研究體系聚砜或聚乙烯砜聚苯并咪唑聚酰非全氟性磺酸膜的性質及應用對于非全氟性磺酸膜，特別是高分子碳氫膜，碳氫主鏈的疏水性以及磺酸基團的酸性和極性卻相對較弱，所以水分子可以相對較好的分散在碳氫膜的納米結構中。對于大多數碳氫膜來說，在相對濕度很高（接近100%）時，其吸水能力遠低于全氟性磺酸膜，而在低濕度范圍內，其吸水能力與全氟性磺酸膜接近。用烷基磺酸磺化時，烷基鏈以及支鏈的長度能夠顯著影響膜的吸水性、電導率、電導率對溫度的依賴關系和熱穩定性等。高的電導率可以通過磺化度來獲得，但高磺化度會導致膜的溶脹加劇，并因此將地膜的機械強度，特別是在較高的使用溫度下。解決該問題的方法目前有兩種：加強聚合物的交聯和制備有機-無機復合膜。非全氟性磺酸膜的性質及應用對于非全氟性磺酸膜，特別是高分子碳磺化膜的熱穩定性主要受磺酸基團分解的局限。對于大多數非全氟性磺酸膜，膜中的磺酸基團在空氣中可以穩定存在到280℃左右。在燃料電池的陰極電極反應過程中生成的H2O2一極-OH或/和-OOH自由基會侵蝕膜中的碳氫鍵，造成膜的降解。至今為止，關于非全氟型磺酸膜的長期電池壽命的實驗數據非常有限。Faure等用磺化的聚酰亞胺膜在70℃的電池實驗進行了3000小時以上。磺化膜的熱穩定性主要受磺酸基團分解的局限。對于大多數非全氟性有機-無機復合膜復合目的：

通過引進吸水性的無機組分以改善膜的自我保濕能力；

減小水的電滲曳引系數以緩解膜在陽極一側的脫水干化；

減小燃料（即DMFC中的甲醇）在膜中的透過濾；

改善膜的力學性能而不犧牲膜的電導率，因為通過提高磺化度來提高電導率時往往伴有膜的機械強度的下降，反之亦然；

改善膜的熱穩定性；

當引進的無機組分是質子導體時可能改善膜的電導率。有機-無機復合膜復合目的：有機6部分全氟磺酸膜聚乙烯醚聚苯并咪唑磺酸化的聚苯乙烯聚砜其他有機6部分全氟磺酸膜聚乙烯醚聚苯并咪唑磺酸化的聚苯乙烯聚砜其固態無機組分氧化物如無定型二氧化硅29質子導體特別是二氧化硅支持的質子導體固態無氧化物如無定型二氧化硅29質子導體特別是二氧化硅(4)酸堿高分子膜酸堿高分子膜堿性聚合物與無機酸絡合得到酸性聚合物和堿性聚合物混合得到(4)酸堿高分子膜酸堿高堿性聚合物與無酸性聚合物和堿性

堿性聚合物與無機酸的絡合反應是開發質子交換膜的一種有效方法。

堿性聚合物是指那些帶有堿性基團的如醚、醇、亞胺、酰胺、酰亞胺等。

所用的酸應該是兩性的，既可作為質子的給予體，又可作為質子的接受體。

早期制備的酸堿膜的室溫電導率大多低于10-3S/cm,增加酸的含量可以增加電導率，但膜的機械性能變差，特別是在高溫如100℃以上時。堿性聚合物與無機酸的絡合反應改善方法使用交聯的聚合物使用玻璃化轉變溫度高的聚合物添加無機添加劑改善方法使用交聯的聚合物使用玻璃化轉變溫度高的聚合物添加無機

聚苯并咪唑是熱穩定性非常好的耐熱聚合物，其玻璃轉化溫度為425-436℃，熱穩定性好，以前主要用于高溫和惡劣環境下的液相分離。當用酸或者堿摻雜后，聚苯并咪唑具有良好的質子導電性能，適于用做燃料電池的電解質。自從1995年Savinell等的開創性工作以來，已有很多專利發表。聚苯并咪唑是熱穩定性非常好的耐熱聚

通過有機聚合物的酸堿反應而產生離子的交聯作用，可以得到性能良好的質子交換膜。通過有機聚合物的酸堿反應而產生離3.2.3質子交換膜燃料電池電催化劑質子膜燃料電池中，陽極的氫氣或有機小分子電氧化反應以及陰極的氧氣還原反應，盡管在熱力學上是有利的，但由于其不良的動力學特征，特別是有機小分子的氧化和氧氣的還原總是在遠離平衡的高超電勢下才可能發生，嚴重的降低了燃料電池的能量效率。因此，必須尋找適當的電催化劑，以降低反應的活化能，從而使這類電極反應在平衡電勢附近以高電流密度發生。電催化劑表面的微觀形貌和狀態、在電解質中特定化學環境下的穩定性以及反應物和產物在催化劑中的傳質特性等也都會影響電催化劑的活性。3.2.3質子交換膜燃料電池電催化劑質子膜燃料電池中，陽極對電催化劑7的要求電催化活性高耐受CO等雜質及反應中間產物的抗中毒能力；使用甲醇作燃料時，由于甲醇的滲透現象，還必須具有抗甲醇氧化的能力。比表面積高使催化劑具有盡可能高的分散度和高的比表面積，可以降低貴金屬的用量導電性能好穩定性能好抗酸性腐蝕能力，表面保持穩定適當的載體對電催化劑7的要求電催化活性高耐受CO等雜質及反應中間產物載體的作用：

一方面是作為惰性的支撐物將電催化劑固定在其表面，并將催化劑粒子物理地分開，避免它們由于團聚而失效；

另一方面有些載體（WC、WO3、導電聚合物）和催化劑之間存在著某種相互作用，能夠通過修飾催化劑表面的電子狀態，發生協同效應，提高催化劑的活性和選擇性。載體的作用：對電催化劑的要求電催化活性高耐受CO等雜質及反應中間產物的抗中毒能力；使用甲醇作燃料時，由于甲醇的滲透現象，還必須具有抗甲醇氧化的能力。比表面積高使催化劑具有盡可能高的分散度和高的比表面積，可以降低貴金屬的用量導電性能好穩定性能好抗酸性腐蝕能力，表面保持穩定適當的載體電催化劑的載體對電催化活性具有很大的影響，必須具有良好的導電性和抗電解質的腐蝕性。對電催化劑的要求電催化活性高耐受CO等雜質及反應中間產物的

質子膜燃料電池中，Pt基催化劑仍是目前性能最好的陽極或陰極電催化劑。為了減少Pt的用量和提高利用率，催化劑采用的是具有納米級金屬粒子的負載型催化劑。常用的載體是VulcanXC-72炭黑，同時采用碳納米管或納米碳纖維等新型碳材料以及導電聚合物作為Pt催化劑載體。質子膜燃料電池中，Pt基催化劑仍是電催化劑的制備方法制備方法膠體法化學還原法浸漬法Adams法離子交換法金屬絡合物膠體法真空濺射法高能球磨法電催化劑的制備方法制備方法膠體法化學還原法浸漬法Adams法

各種方法具有其優缺點。但最近Rolision等指出，與化學還原法和浸漬法相比較，膠體法制備的碳載Pt基催化劑可能具有更高的貴金屬利用率。各種方法具有其優缺點。但最近Ro電催化劑的表征方法表征方法X射線衍射分析（XRD)X射線光電子能譜分析（XPS)催化劑的電化學測試透射電鏡分析（TEM)掃描電鏡分析（SEM）電催化劑的表征方法表征方法X射線衍射分析（XRD)X射線光電電催化劑的表征方法表征方法透射電鏡分析（TEM)掃描電鏡分析（SEM）X射線衍射分析（XRD)X射線光電子能譜分析（XPS)催化劑的電化學測試直接觀測催化劑中金屬粒子的形貌（粒子大小、形狀及尺寸分布）電催化劑的表征方法表征方法透射電鏡分析（TEM)X射線衍射分電催化劑的表征方法表征方法X射線衍射分析（XRD)X射線光電子能譜分析（XPS)催化劑的電化學測試透射電鏡分析（TEM)掃描電鏡分析（SEM）電催化劑的表征方法表征方法X射線衍射分析（XRD)X射線光電電催化劑的表征方法表征方法透射電子電鏡分析（TEM)X射線衍射分析（XRD)X射線光電子能譜分析（XPS)催化劑的電化學測試確定物質組分及顆粒具體大小電催化劑的表征方法表征方法透射電子電鏡分析（TEM)X射線衍

實驗結果表明，只有粒徑尺寸大小位于5-50nm之間時，測量值才會很好地與實際值相符合。

X射線衍射分析表明，質子膜燃料電池中的非負載與負載型Pt基電催化劑主要以Pt的面立方晶體結構存在。實驗結果表明，只有粒徑尺寸大小位于電催化劑的表征方法表征方法透射電子電鏡分析（TEM)X射線衍射分析（XRD)X射線光電子能譜分析（XPS)催化劑的電化學測試可用于表征Pt及Pt基催化劑的表面組分與元素的狀態電催化劑的表征方法表征方法透射電子電鏡分析（TEM)X射線衍電催化劑的表征方法表征方法透射電子電鏡分析（TEM)X射線衍射分析（XRD)X射線光電子能譜分析（XPS)催化劑的電化學測試CV線性電勢掃描恒電流恒電勢電化學阻抗譜電催化劑的表征方法表征方法透射電子電鏡分析（TEM)X射線衍（1）循環伏安法優點操作簡單信息量大（1）循環伏安法優點操作簡單信息量大燃料電池催化劑的研究中提供的信息催化劑的電化學表面積(ECA)催化劑上發生電氧化或電還原反應的超電勢催化劑表面組成及所暴露晶面的性質燃料電池催化劑的研究中提供的信息催化劑的電化學表面積(EC

Gasteiger等利用循環伏安法對一系列不同Ru含量的PtRu合金催化劑進行了研究，發現催化劑表面Ru含量的變化對CO9電氧化反應的起始電勢沒有影響，但對峰電勢位置影響顯著。當表面原子中Ru占有50%時，電氧化CO的峰電勢最低。因此，以這些試驗結果為依據，可以通過循環伏安發來研究CO的電氧化脫除反應，從而粗略地確定催化劑的表面組成。Gasteiger等利用循環伏安法對（2）恒電流和恒電勢

恒電流和恒電勢測試方法能夠考察催化劑的催化活性，也能夠某一電催化劑在某一恒定電流或恒定電勢下進行工作時所對應電極電勢或產生電流的穩定性。（2）恒電流和恒電勢恒電流和恒電（3）電化學阻抗譜

電化學阻抗譜可以用來表征催化劑的電催化活性以及電化學反應中的控制步驟及中間產物。（3）電化學阻抗譜電化學阻抗譜可電催化劑陽極催化劑陰極催化劑電催化劑陽極催化劑陰極催化劑陽極催化劑氫氣氧化的Pt/C催化劑

抗CO的催化劑

甲醇電氧化催化劑陽極催化劑氫氣氧化的Pt/C催化劑抗CO的催化劑甲醇電氧

通過測定Pt/C催化劑在酸性介質中的循環伏安曲線，可以研究H在催化劑表面的吸脫附特性。

一方面，Pt的分散度是決定催化劑性能的主要參數。另一方面，碳載體的性質對Pt/C催化劑的活性也有較大的影響。電子自旋共振光譜研究揭示，Pt/C催化劑中未配對電子的數量大大低于相應的非負載Pt催化劑，表明金屬Pt與碳載體之間有電子傳遞。相關研究還發現在Pt表面吸附的H原子，可以由Pt的表面遷移到碳載體的表面。通過測定Pt/C催化劑在酸陽極催化劑氫氣氧化的Pt/C催化劑

抗CO的催化劑

甲醇電氧化催化劑陽極催化劑氫氣氧化的Pt/C催化劑抗CO的催化劑甲醇電氧

由于價格因素和儲氫的困難，當使用重整氣制氫時，氫氣中痕量的CO在Pt催化劑表面上的吸附能力遠強于氫。

針對該中毒問題，主要有兩條技術途徑：陽極注氧和研制抗CO中毒的電催化劑。陽極注氧是在燃料中摻入少量的氧化劑如O2、H2O2。研制抗CO中毒的電催化劑有兩個基本思路：一，以Pt催化劑為基礎，通過摻入各種助催化劑降低CO的電氧化電勢和/或減弱催化劑表面CO的吸附強度；二，研制非Pt或非貴金屬的新型電催化劑。由于價格因素和儲氫的困難，當使用重整氣制

除PtRu催化劑外，雙組分（二元）合金催化劑主要有：PtMo、PtW、PtSn、PtIr、PtV、PtCr、PtCo、PtNi、PtFe、PtMn、PtPd等；三組分（三元）合金催化劑主要有：PtRuW、PtRuWMo、和PtRuSn。

到目前為止，種種已見報道的二元基陽極電催化劑在含有CO的H2中的電催化活性，均沒有達到Pt/C電催化劑在純H2燃料中的電催化活性。除PtRu催化劑外，雙組分（二元陽極催化劑氫氣氧化的Pt/C催化劑

抗CO的催化劑

甲醇電氧化催化劑陽極催化劑氫氣氧化的Pt/C催化劑抗CO的催化劑甲醇電氧

PtRu催化劑中Ru的最佳含量取決于催化劑的制備方法（結構）、電極的工作溫度和電勢范圍。對于超高真空制備的PtRu合金催化劑，由于在25℃時，甲醇僅能吸附在Pt上，因此Ru的最佳含量是10%，但在60℃，甲醇也能夠吸附在Ru上，此時最佳的含量為30%。

研究的PtRu催化劑范圍：PtRu合金、物理混合的Pt+Ru納米粒子、Pt+RuOx、電沉積PtRu粒子、Ru氣相沉積在Pt上、Ru吸附在單晶Pt(hkl)上等。PtRu催化劑中Ru的最佳含量取決于催陰極催化劑Pt催化劑Pt基合金催化劑過渡金屬大環絡合物催化劑其他氧還原催化劑PtFe/C催化劑PtNi/C和PtCo/CPtCr/C催化劑PtV/C催化劑陰Pt催化劑Pt基合金催化劑過渡金屬大環絡合物催化劑其他氧還3.2.4膜電極的制備技術

膜電極（membraneelectrodeassembly,MEA)是燃料電池發電的關鍵核心部件，膜電極與其兩側的雙極板組成了燃料電池的基本單元-燃料電池單電池。3.2.4膜電極的制備技術膜電極（m

（1）能夠最大限度減小氣體的傳輸阻力，使得反應氣體順利由擴散層到達催化層發生電化學反應。因此，氣體擴散電極必須具備適當的疏水性，既保證反應氣體能夠順利經過最短的通道到達催化劑，也確保生成的產物水能夠潤濕膜（2）形成良好的離子通道，降低離子傳輸的阻力。（3）形成良好的電子通道，MEA中碳載鉑催化劑是電子的良導體，但是Nafion和PTFE的存在將在一定程度上影響電導率，在滿足離子和氣體傳導的基礎上還要考慮電子傳輸能力，綜合考慮以提高MEA的整體性能。

（4）氣體擴散電極應保持良好的機械強度及導熱性

（5）膜具有高的質子傳導性，能夠很好的隔絕氫氣、氧氣防止互竄，有很好的化學穩定性和熱穩定性及抗水解性。高性能的膜電極應具有的特性（1）能夠最大限度減小氣體的傳輸阻力，使得反應氣體順利由膜電極質子交換膜電催化劑氣體擴散層膜電極質子交換膜電催化劑氣體擴散層氣體擴散層材料

燃料電池擴散層材料通常是石墨化碳紙或炭布，從氣體擴散角度考慮擴散層越薄越有利于傳質和減小電阻，但考慮到對催化劑層的支撐和強度的要求以及對水熱平衡的管理的要求，針對不同的應用環境(氧化劑種類氧氣還是空氣、低壓還是高壓等)需要設計不同種類的擴散層。氣體擴散層材料燃料電池擴散層材料通常是PEMFC中擴散層材料的要求首先擴散層起到支撐催化層的作用，為此要求擴散層適合支撐催化層，擴散層與催化層的接觸電阻要小。 氣體和水通道的作用，因此擴散層應具備適宜的空隙率和孔分布，有利于傳質。電子通道的作用，擴散層必須是電的良導體。并且為了保證反應的均勻性，要求擴散層在橫向及縱向均要保持較好的電阻平行性。熱的傳輸和分配作用，要求擴散層有較好的熱傳輸和分配能力，才能保證發電過程均勻進行，有利于膜電極壽命的延長。較強的耐化學腐蝕和耐電化學腐蝕的能力，為了保證較長的壽命和穩定的性能輸出。PEMFC中擴散層材料的要求首先擴散層起到支撐催化層的作用，擴散層常用的材料碳纖維材料無紡布炭布多孔性和良好的導電特性，在其他場合已經被商業化擴散層常用的材料碳纖無紡布炭布多孔性和良好的導電特性，在其他擴散層常用的材料碳纖維材料無紡布炭布石墨化的碳纖維紙石墨化的碳纖維紙早已應用到磷酸鹽燃料電池中，炭布的應用場合是潤滑及紡織行業。擴散層常用的材料碳纖無紡布炭布石墨化的碳纖維紙石墨化的碳纖維

目前超過90%的碳纖維是以高純度的聚丙烯腈（PAN)為原料經過高溫炭化25等特殊工藝加工而成的。目前超過90%的碳纖維是以高純度的聚利用PAN碳纖維制備PEMFC擴散層的工藝路線聚合和纖維的形成（連續纖維）穩定化（230oC,空氣）炭化/纖維短切（1200-1235oC，N2保護，含碳量95%）紡紗織布炭化（1600-1700oC，真空）炭布造紙（5%-15%粘結劑）浸漬樹脂150-180oC，415-550KPa,空氣中放置一段時間炭化/石墨化（〉2000oC，N2或真空碳纖維紙填充炭粉（以PTFE為粘結劑）熱處理濕法填充紙利用PAN碳纖維制備PEMFC擴散層的工藝路線聚合和纖維的形擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布電導率電導率（totaldissolvedsolids,簡寫為T.D.S）：水的導電性即水的電阻的倒數，通常用它來表示水的純凈度。

(1)電阻率的倒數為電導率。(2)單位:在國際單位制中,電導率的單位是西門子/米。(3)說明電導率的物理意義是表示物質導電的性能。電導率越大則導電性能越強,反之越小。

電導率的基本單位是西門子（S），原來被稱為姆歐，取電阻單位歐姆倒數之意。因為電導池的幾何形狀影響電導率值，標準的測量中用單位電導率S/cm來表示，以補償各種電極尺寸造成的差別。電導率測量儀的測量原理是將兩塊平行的極板，放到被測溶液中，在極板的兩端加上一定的電勢，然后測量極板間流過的電流。根據歐姆定律，電導(G)--電阻(R)的倒數，是由電壓和電流決定的。

電導率電導率（totaldissolvedsolids,擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角縱向電導率平面電導率擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角壓縮特性彎曲特性擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角水銀測孔計法毛細流動測孔計法擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角滲透性是指多孔材料透過流體的能力

擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角氣體傳輸液體傳輸擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布流體滲透性表面能和接觸角擴散層的性能表征方法方法電導率機械特性厚度孔隙率和孔尺寸分布表面能

由于物體表面積改變而引起的內能改變，單位面積的表面能的數值和表面張力相同，但兩者物理意義不同。

比如東西放時間長了會發現有灰塵附著，就是因為灰塵附著降低了物體的表面積，從而降低了物體的表面能，物質能量都有自動趨向降低，保持穩定的特點。

又如，砸碎石頭，就增大了石頭的表面能，但是同時你也做了功。表面能由于物體表面積改變而引起的內能改接觸角

將液體滴在固體表面上，液體并不完全展.開而與固體表面成一角度，即所謂的接觸角，以θ表示。

接觸角可以用接觸角測試儀來測定。由此可以判斷固體是疏水性的（θ大于90度），還是親水性的（θ小于90度）。

θ接觸角將液體滴在固體表面上，液體并不完全3.堿性燃料電池材料3.堿性燃料電池材料

堿26性燃料電池是最早獲得實際應用的燃料電池。

1839年格羅夫發明燃料電池后，經過近1個世紀都沒有一個可做實際應用的燃料電池出現。

劍橋大學的工程師培根從20世紀30年代開始堿性燃料電池的試驗工作。對蒙德和朗格爾發明的堿性電池裝制作了很多改進，得到了第一個堿性燃料電池，不過經過27年后，培根才制造出能工作的燃料電池。1959年他推出一臺能夠供焊機使用的5Kw機器。同年，愛麗絲-查爾莫斯公司制造出第一臺以燃料電池為動力的車輛，這是有一臺由15Kw的堿性燃料電池驅動的拖拉機。這個公司還開發了AFC高爾夫球車、潛水艇、叉車等。堿26性燃料電池是最早獲得實際應用的燃

20世紀60年代初，聯合碳化物公司為美國軍方開發了AFC移動雷達。

1967年，通用汽車公司引進聯合碳化物公司的堿性燃料電池技術，開發了第一輛燃料面包車。

1970年，科爾迪什開發了第一輛燃料電池小汽車。科爾迪什創辦的ZEVCO公司至今仍然在繼續堿性燃料電池的商業化活動。

20世紀60-70年代，在阿波羅宇宙飛船以及在其后的航天飛機上，堿性燃料電池被用來作為電源，同時為宇航員提供飲用水。20世紀60年代初，聯合碳化物公司為美工作原理陽極反應：H2+2OH--2e-

2H2O+O2陰極反應：1/2O2+H2O+2e-2OH-總反應：1/2O2+H2H2O工作原理陽極反應：H2+2OH--2e-2H2O+O2優缺點優點效率高材料要求低氧的還原反應在堿性介質中比在酸性介質中更容易進行堿性介質中可以采用價格低廉的鎳作雙極板材料優缺點優點效率高材料要求低氧的還原反應在堿性介質中堿性介質中優缺點優點效率高材料要求低缺點因為電解液為堿，易于CO232生成K2CO3、Na2CO3等碳酸鹽，嚴重影響電池性能，所以必須除去CO2.這使得采用空氣作為陰極反應物遇到很大的困難。電解液需要循環以維持電池的水、熱平衡問題，使系統變得復雜，影響電池的穩定性操作性能。優缺點優點效率高材料要求低缺點因為電解液為堿，易于CO232電池結構堿性燃料電池電極憎水電極親水電極憎水擴散電極是利用黏結劑粘合的炭粉制備而成。親水電極是由燒結的金屬粉末制備而成。這樣的電極結構由孔徑不同的粗孔層和細孔層構成。電池結構堿性燃電極憎水電極親水電極憎水擴散電極是利用黏結劑粘電池結構堿性燃料電池電極憎水電極親水電極電解液30-45%的KOH溶液隔膜石棉膜電池結構堿性燃電極憎水電極親水電極電解液30-45%的KOH排水方法反應氣體循環法通過循環一個或兩個電極的反應氣體，在外部冷凝成液態水排除。同時部分排熱靜態排水法在氫氣一側有一多孔排水膜，生成的水通過濃差擴散通過氫氣室，進入排水膜，在排水膜外側冷凝并通過排水腔排出電池。冷凝排水法在氫氣一側有冷凝板（無孔），外側的冷凝腔內流過冷卻劑，生成的水在冷凝板上凝結成液態排出。電解質排水法通過將電解液循環在外部除水單元里蒸發排水。這種情況下水蒸發所需熱量由電堆的廢熱提供。排水方法反應氣體循環法通過循環一個或兩個電極的反應氣體，堿性燃料電池的應用培根的第一個堿性燃料電池工作溫度是150℃。1987年海亞會議期間，歐洲空間局和法國宇航中心宣布用于可復用的Hermes空間火箭的新一代的AFC.由比利時的Elenco公司、德國西門子和Varta公司承擔。美國聯合公司曾將30kW氫/氧AFC用于美國海軍潛水艇，還曾為美國軍方開發了堿性燃料電池雷達站、燃料電池摩托車等。德國Varta公司在60-70年代研制AFC,為叉車制造了3.5kW級AFC電堆。堿性燃料電池的應用培根的第一個堿性燃料電池工作溫度是150℃1976年比利時與荷蘭聯合組成Ekenco公司研制AFC.該公司基本電堆為0.45KW.1987-1988年該公司制成1-1.5KW便攜式AFC,1993年制成40kW及70KWAFC電堆，日本富士電機公司于1961年開始研究AFC，1970年制成1KWAFC，1972年制成10KW氫/氧AFC，1977年制成2KW氫/空氣AFC，1985年制成7.5KW應急AFC電源以及可移動的3.6KWAFC。20世紀90年代，德國西門子公司組裝了48KW級AFC電堆，輸出電壓為192V,輸出電流為250A,該公司還用AFC電堆裝備了一艘德國潛艇。1976年比利時與荷蘭聯合組成Ekenco公司研制AFC.該20世紀90年代，德國卡爾斯羅研究中心研制以AFC作為動力的汽車。這是德國第一輛燃料電池作動力的汽車，現陳列于德國奧海姆技術博物館。1988年7月，英國和比利時的合資公司零排放汽車公司（ZEVCO)在倫敦展示了該公司第一輛燃料電池出租車原型車，該車采用5kW的堿性燃料電池，且用鈷做催化劑。燃料電池控制公司在向用戶提供2.5kW的堿性燃料電池系統，開路33V,105A放電時電壓為24V.這套系統向用戶的出售價是1.7英鎊。20世紀90年代，德國卡爾斯羅研究中心研制以AFC作為動力的4.磷酸型燃料電池材料4.磷酸型燃料電池材料4，磷酸型燃料電池PAFC以