质子交换膜燃料电池的工作原理
能源、信息、材料是現代社会发播的三大支柱・其申能源在社会发展、心日常生活中的作用日益聶苦.能源既是社会发展的物质基础.又是提高人类科技" 促进科学发展的技术保障。
毎一种潮能源的开发与利用，都会给生产力疑展和人类进步带来巨大的变革.在21低配’人类利用的能源屯要还悬煤、石汕和天熬气等化石燃料，由F这些资澹有限*并且柱:燃烧过程中来披狂分利用*不但滾费了其中包含的化学能，也对人类社会朝少相处的环境造成了严重的环境河染・面对人们对能源的碍求就趙来越大的潍题”加快研究能源的步伐*开发化石燃料的替代航前较为累迫的一项任务.走能源与环境和经疥厦展良性循坏的路子，是解决能源与坏境问题的棍本出
燃料电池以能最转比效率高，环境友好“孝排放黑显薯优去日益嗫到人们的关卓并冃己经成为淸洁、可持续发电能源的前沿蝕域.廳料电池是将储存在燃料中的化学能通过电极反应使之与轨化剂发主交互作用’转变成电能的高效、环保型能虽输出装逍，是绻火力发电*水力发电和核能发电后的新能源系统.英工柞方式蹩电池正常工柞时，蛉界粽源不断的向电池中送入反应的燃料气体和氧化剂. 反应产物和热量蔽及时排除掉.珂此遠神电池不会像晋通电池那样会被耗尽.质子膜燃料电油是第五代燃料电池(其他四类是碱性燃料电紐，磷醴燃料电池.熔融磁酸盐燃料电池和hM体氧化物燃料电池人幫用就气柞燃料，空气或者是纯枫气柞氧化剂.通过氮氧发生化合反应.貢接梅氮气中的化学能转换屈可以利用的电能「井生成对环境无污染的纯押水.其特点是；
(0能最装换率高“高效可靠
首先燃料电池中轼气和氧气或者空气反应不是蛭过燃烧过程而是电牝学过麻，所以
菇能命转换效率不受卡诺祈坏的控制.实际应用中，考虑侬差扱化、电化学极化曙的限帝
山以及残存预熱不被利用的情形.FI就的燃料电池的实际电醞转换效率在4昭60%Z间.大
约是内燃机的两倍。
由于?EMF€电池堆采用模块
化的设计思路，一旦某个单电池岀现故障，系统会适当屏蔽该电池*这样系统的输出必率只
捷下降，而不昆頼个擁顼.因而可靠性能更高.
（2）坏境污染小、噪音低
由于反应产物是纯挣水，対环境绝对无污染，并R反应足电化学过程，因而主机无需大型机械部件，只需叢风机s水泵镐辅助输送％休设备。
因此噪音低。
<3）燃料％体氢％来源广
工业0E*U煤和水作用.裂优石油叫（柴油、汽油、二甲凝人电解水都可以得到氢气，北外F生物发酵也能产生’阂而制造氢丸的来渭相当广泛。
除了咼些待点外质子膜交换燃料旳池还有丁作电流密度大.启动温度低和组装、维修方便導特戊區子膜燃料电池是已境发展的燃料电池中发般规榄最大吋一种，随者环境污染的加巫.人怕对梢话能源的低用日益車观”PEMFC的重翌性FI益显现.在交通运愉业.质子膜燃料交换地池成为未来电动车的动力装置的可能性爺大©在电力供给和航天发动机上也成为堆有希望的智代看•
L2质子交换膜燃料电池的工件原理
质子交换膜燃料电池（PEMFC）其电解质是一种全氟磺酸型寓子交换蹴它-般采用Pt/C 作为为氢气或净化更整气，氧化剂为空气或氧气■工作温度一般莅60~g（TCZ剧叫壘基本的PEMFC由三部分构成:膜电极组件、取扳板、集流札牍电极组件傲赳括阴极气体扩做忌阳极％体扩散层・阴极催化剂*阳极催化剂和质了交换熱质子交换膜只允许魇了谴过而不允许电子適也
图U示出PEMFC的工作原理示意图*盾子交挟膜燃料电池的电扱反应与其它酸性电解质燃料电池的电极反应类似.盯英阳极中可燃性气体氯气在催化剂作用下发生屯极反应［叫
岛—肝+ 2c
此时产生的电子经外电路到达阴极「而带正电的氮离子是经过电解质膜到达的阴极。
氧
离子、氧气以及电子评阴极发生反应生成水.并释放能最。
■■
l/2O2+ 2才4 2匕—岛0
点的化学反应如卜I
图IJPEMFC的工作原理示意劉
Fig. l.I ^'orkin^ pr inc file dn^ram for PEMFC
Id双极板的功能要求
瑕极械又称作集流K* PEMFC的关键材料之一，It在整个电池堆的莊最岛达8（1%,在电油的成屮中也占到45%并冃职极板的优劣不但彫响PEMI C'的性能. 还关霍到燃料电池组的成本、比功率［罠它的主翌作用是:（｝）帛联各个单休电池并收集电流；口幡氧化剂与还原剂分隔；（3鬧反应物均匀分配到电极各处：（4｝营遥燃料电池在所丄作过理屮产生的水与热尊.PEMFC电池组一•般悄况下按照压腌机方式进行组装.结育双扱扳的作用和商业应闿怖值枫极板材料必须滞足下述要求［儿
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（l）PEMFC单牡电池之问是通过双极板联找的.为了便双极扳口必的电陌小. 能较好的收集、榕递电流，保证电池正常对外输出电理，因此它需耍电阻皋小、导电性爲；
⑵为确僅电池产生的热谥能購快速扩散并且使电池组温度均匀.它的导热性要好I
(3)低餡也通过率，保证反应气体不会混合而产生意外：
(4)曲F质了交换膜燃料电池的工作环境属于酸性环境，条件比较恶劣，眾极極本身必须耍有良好的化学稳定性和耐幡蚀性；
(5)良好的机械强度*易于生产制造：
〔6)成本尽可能低且制造周期短，适干批量生产.
1*4金属双极扳的研究现状
在繁多的双极板材料中*金属双极做因其具有来源广泛、阻隔气休性能好、导热导电性好、拣于加工等优势而成为PEMFC商业化的必然选择“为了提高电池綿的质量和体积比功看通常采用厚度为tM73jnm的薄金屈S极板“
卩EMFC的金属双极板材料通常分为三类问：铁基合金、経金厲、以轻金属或者不铳钢材料作为基底带有表面徐层的材料"
IAI铁基合金
衽虜子交按膜煥料魁池爲扳扳的各种金啊材料中1铁基鬓金属双极扳被视为研究中最为普遍常用的一类材;料•薄的(0」皇来)刘压不锈钢合金片作为质子交换膜燃料电池的戏极板有程大潜力*诂种痔片不锈钢扳与机加工石墨双极板相比，可以显著降低生产成本：与聚合物巔纤堆和石雄复合双扱板招比，诡减少电池堆的体积.由于材料来源广可以快速、大批凰生产制适，缩短生产周期尊特点tt備不钥钢在金材料中性能优越"此外不锈钢的优点迹有；导电性^导热性相当好*可以提高电池的输出功岸和浪热性能：不锈钢还具有戋好的隔绝吒休效果，可以将氧化刑和还嫁剂完全阻隔.这也特点使不锈钢取扱扳可以做的很薄, 有利干显著障低成本.蜒商体积和車蓮比功笔，但目前限制不锈樹取极板使用的
关键问观是抗扁谊性和界面接触电阻(阳機•侧的双极板据詹在氮气环境中.工作电位在HX IV左右｛相对于無和甘汞电极)「因为闭扱处氯％被轧化生成『的环境中，不利于金属表曲钝比膜的形成，导致金翳发生活性涪解’产生严重腐烛「落解的多愉金属离子.不俣污染膜电掇.还降低电极电萍化剂的活性.増加界面电阴：阴橈一侧的双极扳则暴露在空气或茜纯氧气中.丄作电位在山6¥左右「这种氧化
性气氛便极叛容及氧优，表血生成的鞍化膜便阴极的界面接融电阻増加*降低电池的输出功皇以i工作效率人
Davies DF 等研究了310( 20%Ni, 25%Cr). 3l6(12%Ni. 18%Cr>. 9041(25%NL 20%g零不锈钢材科在懒料电池环境下的性能1儿宝验结果表:明.经3000h的耐久性试验后*三种材料按照电池性能由低到鬲的顺序是31M]0<904U 9O4L平锈钢的性能变化不大.而315 316的接触电阻都升高.
Hermann 研究了不锈钢、辄钛等多种金屈双汲板叫发现这些取极板的麦面都形成了迫阻率高的氧化厘，从而导致电池性能降低匚但与其他金JW相比.不锈钢的低成本、易加工等优点引起研究人员的广泛关注.
Davies等通过实验比较了一些不锈钢的界面电阻叫发现住压力为2.2MPa时, 界面电阻由低到高排列：Irwnel创1弋删心卿Q呵04<3】円16<347<304<321,并且合金中的钻和银含量的堺加可以减薄表面钝化膜的厚度.
挛课成系统研究了榄拟质子龙换履燃料龟池的阴极、S1极坏境下的几种當见不锈钢聯烛行为”叫结果衷明904和315不锈钢在钝化性能上表现良好*而H316 不锈钢的穂定钝化电位区较宽，但钝化电濟密度较大。
另外在模拟PEMFC阴极环境匚这些不锈钢均易形成钝化膜，井且膜层厚度随时间延长有所增加.
Makkus t，1J^研究了极板对般电极的芳染与二者轴互接魅的关甌研究结果龙明・阴极侧膜电极受不锈钢很板的污逛程度与石眾电根板类钗.井H与二者接触与否关系不大.而阳极侧膜电极受不锈钢极板的污染程度相时阴极严璧很吝.并且污染程度与二者的接触情况成正比.
142轻金属
比牧适合做PEMFC双极扳的轻金届主要是Ik AI曲其相应的合金.这类金属相比不锈钢的优势在于比強度高、导电性好、导热性好、密度小，在提髙电池组的比功率、减小电池组的体积聲方询更有优势，主要在•些特殊用邃的頂子膜燃斡电池中应用较广.Philip LHemall 等人研究钛双极板电池的性能发现口叫试验后的取极板表面接触电阴明显捉髙”唄是由于钛和铝的化学性质较活泼，表面易形成一层氧化膜导致表面接触电阴较高.从而明显降电池的输出功率.而旦实
际应用过程中考虑到成本何题，股便用较少阳。
钛和的必须经过一定的特殊处理之后才能用于制作双极板。
L43以轻舍属或不锈钢为基体具有春面涂层的材料
山于廬子交换膜燃料电池长期处于dXO匸的岛温* R^9O%的高湿’pH-2今曲酸性送种恶劣的环境下工作*尽骨上面提到的不锈钢及贵金属本身能够柞为双扱扳材料，俱是因为它们良有很强的化学活性.在质于兗换膿燃料电池的工作环境下容易发生电化学腐性’瘠液中产生爭价金展离予，污染寿化膜和电扱，阳氐了电池的性能。
为了改进其耐腐蚀性能.需要对不锈钢和轻金風材料进1?液面相应的加工处理.
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