质子交换膜燃料电池的研究开发及应用新进展

　　1摘要介绍了国内外研宄质子交换膜燃料电池的整体现状及水平。从电催化剂膜电极及其制备工艺质子交换膜以及双极板等几个方面。综述了质子交换膜燃料电池在材料及部件方面取得的成绩及研宄现状。概述了质子交换膜燃料电池目前在电动车船舶移动电源等方面的应用情况。提出了我国质子交换膜燃料电池的发展方向，燃料电池是种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置。由于其具有效率高污染小建厂时间短可靠性及维护性好等优点，被誉为是种继水力发电，火力发电，核电之后的第代发电技术其中质子交换膜燃料电池，肘0以磺酸型质子交换膜为固体电解质，无电解质腐蚀问，具有能量转换效率高无污染可室温快速启动寿命长和功率密度高等特点，在固定电站电动车军用特种电源可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源。

　　质子交换膜燃料电池的研宄工作在国外开展较早，起于20世纪60年代，目前己处于样机研制并向产业化发展，由电堆研究向系统汗发发展的阶以我国对蝻干交换膜燃料屯池的研宄开展于20世纪90年代中期。1997年原国家科委批准了燃料电池技术为国家九计划中重大科技攻关项目之，要研究方向为信息调研。

　　其中，为主要研宄项目13前131已由坫础件1研宄拓展至，肘，系统和样机的研制。有望在不远的将来取得可莴成果，本文主耍针对最近两年国内外有又，1.研，和开发的现状，综述了国内外研宄，0取得的成就，1质子交换膜燃料电池的整体研究现状及水平我国对质子交换膜燃料电池的研究工作基本上始于20世纪90年代中期。目前从事质子交换膜燃料电池研究工作的单位主要有中国科学院大连化学物理研究所长春应用化学研究所电工研究所。清华大学。复旦大学，厦门大学，天津大学北京理工大学。北京富源新技术公司，北京绿能飞驰电源技术有限公司，上海神力科技有限公司等十几家单位。其中大连化学物研允所是九计戈中啦大科技攻又项，1.谔系统分别由清华大学和中科院电工研宄所承担，最近两年几个研宄单位在质子交换膜燃料电池研宄方面取得了巨大的成功。哈尔滨工程大学于1999年组装了质子交换膜燃料电池单体141.为了考察氧电极的性能，他们提出了内置氢参比电极的方法，在电池氢电极侧用部分氢电极作为内置氢参比电极。可以方便地征氧电极的放电性能，经过检测。该电池的最佳运行温度为80，氧气压力3，氢电极压力0.3阽，3！催化层的聚氟乙烯，1最佳含量为35.

　　含量为耶，2，载销量可以降至0.5，北京理工大学经过几年的探索。在膜电极制备。反应条件控制。反应物和产物流程设计及电池堆的密封性能等方面都取得了显着验1999年也已成功组装了电动车用，肘，0；石墨电池堆1组装成的尸石墨电池堆由13片单电池组装而成。其中每片电池膜电极的有效面积为20，2.电池堆的开路电压为12.7.最大电流可达20，当输出电压为7.8，单片电压0.6时屯池堆的1作屯流6.4人电流密投为32，1cm2.电池堆运行时的平均功率为50.峰值功率可达70评。自组装后电池堆稳定运行半年以上性能仍然良好。北京理工大学试验用其驱动小型电动模型车。结果明，该车具有启动快，行驶平稳。易于控制等特点。行驶时可承载重物达IOOkp中国科学院大连化学物理研宄所从1993年开展质子交换膜燃料电池工作的研宄6，目前己掌握了系列，的关键技。他们于1999年成功组装了35对千瓦级质子交换膜燃料电池组7，该电池组采用面改性的金属双极板；氢气采用内增湿。冷却水排热；采用美国杜邦公司的017质子交换膜，热压法制备膜电极合电极；采用碳载铂为电催化剂。

　　载铂量为化斗⑴该电池组的主要特点是工作温度无须严格控制，电池组可在室温至100，间正常工作。室温启动性能好，电池无须预热升温。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3月16日，中国科学院在大连化学物理所召开了5 1质于史换脱燃料电池开发的成果鉴记经鉴定委员会确认，该所成功地开发出薄金属双极板额定功率为510 1的屯池纟额定功率为51评的电池组。1吣！1为50 1体积为22.81采用纯氧为氧化剂时实测输出功率可达7.3 1.据此电池组的质量比功率分别达到1008和164评1.屯池组的体。！比功率分别为220评1和32你1电池。

　　能量转化效率为4050.单节电池连续稳定运行时间达1000，51电池组间歇运行时间达1500以上，欠连化学物1所研制的5，1评电池组的输出性能己超过加尺1！

　　1奶1公司研制的取551评和人抓5131接近该公司20世纪90年代后期研制的人只7002530让电池组的性能。大连化学物理所在国际上首创薄金属板改性制备双极板独特工艺，与碳双极板相比更适于批量生产。其千瓦级质子交换膜燃料电池技术己经成熟。电池组的性能己达到国际先进水平，部分技术己达国际领先水平。具备了商业开发的条件。

　　美国通用电气公司是最早研宄质子交换膜燃料电池的机构，2，世纪60年代初。美国将，抑，用于0，1飞行，但由于结构材料昂贵和铂黑用量大而阻碍了它的发展。直到1983年加尕大15防；出于事目的义资助831公司发，喔，1F，前1几。，1公司庄的研宄中玟得丁突破性进技。

　　电；±组的比功韦1达1.70.超过无1；能源定的电动汽车指标，受到世界各发达国家和各大公司的高度重视8.由厂质户交，膜燃料屯池具，高功率密度。快，启动能力结构简单等特性，美国能源部001；己选择将其作为主导技术进行发展1由美国大汽车公司福特通用和克莱斯勒组成的，0在美国能源部的资助下开展质子交换膜燃料电池的研宄。其主要目标之是研制中型客用电动汽车。1999年成立的加利福尼亚燃料电池合作组织计划在20002003年推出约70辆燃料电池汽车和公共汽车。2000年美国能源部汉和美国运输部，也加入了该组织。德国柏林在2，00年年底建成了欧洲首座250让评质子交换膜燃料电池电站。该电站由加拿大6，1公司与其合作者人13了，提供，被认为是质子交换膜燃料电池技术在欧洲商业化的关键步。基厂质交换膜燃料电池的度接甲酚燃料屯池4拉也己发展成熟。德国西门子公司制备的直接甲醇燃料电池电压为50在高温高氧压下的功率密度为27，在低温和低大气压力下的功率密度为⑴评⑵质子交换膜燃料电池技术在国外发展已相当成熟。目前已走向商业化应用阶段。

　　2质子交换膜燃料电池材料及部件的研究现状质子交换膜燃料电池制备的关键技术己经成熟。但是限制其商业化的最大障碍是其制作成本太高。包括电极电解质膜和双极板等个方面1214.为降低电极成本须降低电极的载铂量，提高电催化剂的利用率。目前，国内外在研宄电池部件方面作了大量工作。

　　2.1电催化剂质子交换膜燃料电池的电极催化剂包括阳极催化剂和阴极催化剂。对于阴极催化剂研宄重点方面是改进电极结构，提高催化剂的利用率；另方面是寻找高效价廉的可替代贵金属的催化剂。阳极电催化剂的选用原则与阴极催化剂相似。但阳极催化剂应具有抗中毒能力。因为质子交换膜燃料电池对燃料气中的0非常敏感。质子交换膜燃料电池多采用铀作为电催化剂，它对于两个电极反应均有催化活性，而且⑴氏期工作。

　　目前研究最多的阳极抗，毒化的电催化剂有，此和1元合金。近来有作者报道抗0毒化的含钼阳极电催化剂特别适用于使用重整气的低温燃料电池和直接甲醇燃料电池5.这些催化剂既包括元，1肘，合金和元合金如和，同时也包括含钼氧化物的铂基复合催化剂。采用高能球磨法制备的，肘，合金催化剂具有良好的性能和抗，中毒能力，可用作质子交换膜燃料电池的阳极催化剂，在德国教育科学研宄和技术部8厘8们的资助下。德国03378公司研制了运输业用质子交换膜燃料电池白勺贵金属基电催化剂。该催化剂的载拍量少于0.5，2.功率密度达0.5，2，该公司研制的1极催化剂可抗101肘1大学在化学制备的聚3，4亚乙氧基噻吩聚苯电及技长综1上利用化学镀法制备，和内微粒作为质子2换膜燃料电池的电催化剂。聚3，4亚乙氧基噻吩聚苯乙稀4磺酸盐是有效的拍和，如催化剂载体。它们不仅具有较高的电子和质子传导率，而且加速了催化剂薄层的电化学为了提高质子交换膜燃料电池中电催化剂的活性，减少钥中科院长春应用化学研宄所对碳载铂的元合金作为氧还原催化剂的研宄作了大量工作18.他们采用松木碳为载体。水合肼为还原剂，通过化学还原法制备了，肘0催化剂，并通过涂敷和热压制得催化剂膜电极。与他们以前制备的1和，催化剂相比。，1催化剂以氧的电还匣活性更高。同时，厘，催化剂经热处理后性能有较大提高，寻求柏以外的价格较低的电催化剂。是质子交换膜燃料电池电催化剂研究的个重要方向。目前。非柏系电催化剂研宄大多集中在氧还原阴极电催化剂。在可能的替代催化剂中。交为引人注目的是热解或非热解的过渡金属大环化合31 2.2膜电极及其制备工艺质子交换膜燃料电池的电极是种多孔气体扩散电极，般由扩散层和催化层组成。扩散层的作用是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；催化层则是发生电化学反应的场所，是电极的核心部分。传统的电极制备方法有涂膏法浇铸法溅射沉积法和滚压法等，上述工艺大都包括以下基本工序制备碳载铂催化剂；备催化剂薄层；3质子交换膜的预处理和面改性；4导电网或气体扩散层的制备；5催化剂层扩散层与质子交换膜的结合。采用上述方法均能减少电极的铂载量提高铂的利用辛。

　　中国科学院长春应用化学研宄所的杨永胜等20研宄出了种新的薄电极制备技术了10用以制备低拍载电极。将定量的，10催化剂了，乳液和次蒸馏水经超声波清洗使朽0催化剂与，了，乳液充分混合。用聚碳酸酯过滤膜将水滤出。然后把粘性混合物均匀转移到碳纸上，在100，下真空干燥。并在35，36，1及氩气保护下热处理21制备出薄电极。

　　在己制备电极上涂覆定量的必溶液。在100，下干燥后1即制得膜电极肘人。用这种方法制得的电极可有效控制屯极催化层的厚度。使催化层汜薄伐拍量为1.而且催化层面平滑，颗粒分散均勾。电池性能明显提高，当，含量为20丁，为25阶17作电解质时，电池的最大输出功率密度达3，2.

　　大连化学物理所从1994年开始电极的研宄工作，到1998年采用薄层催化层电极结构，研制成功的电极载铂量己降至。08，1；21；在这种制备方法中。利用甲酐还匣法制备碳载铂催化剂。铂含量为20，1扩散。采用碳纸。用吓处理使其防水。催化层采用薄层电极改进法制备而成。这种电极催化层厚度约为5；利用率为30，采用此电极与，述2哎组砚的单电；±。性能，达75.0.7.且电极的催化剂活性远大于1公司的电极。1999年该课组又提出了种新的电极制备方法12在薄层催化层电极制备中加入造孔剂，并使用喷涂方法。使质子交换膜燃料电池电极中的获钔1降到0.021.12阳该方决1.电极扩散。由碳纸制作，厚度为0.331洲。电极催化层由，代催化齐溶液造孔剂组成。在电极制备中用乙醇水溶液代替甘油作溶剂。并采用喷枪喷涂的方法制备催化层。与传统方法相比，操作简单。成本低。容易放大，为进步降低电极成本打下了基础。

　　此外原鲜霞等尤化学镀柏法从液取代丁，作粘结剂，电枵的粘结剂和质子交换租均为必用氯铂酸溶液和肼溶液对质子交换膜进行镀柏，通过调整催化层中铂的含量来制备膜电极，此工艺的最佳条件为首先在7膜的两侧先镀层钼。压层碳黑或碳载钿，然后用与氯柏酸等浓度的肼溶液化学镀钿。

　　朝鲜，大学241采用等离子溅射技术在1电解质种方法制备的电极载拍量仅为0.043，12，比传统法制备电极降低了10倍。每次射前均在，1面涂覆，1涂层，然后进行重复溅射，可以提高载柏催化剂的使用效率。

　　德国航空航天中心1只125也正在研制低成本的膜电极制备技术。他们首先制备出电极粉末。将粉末干喷涂到电解质膜上，用气体扩散层对膜进行热滚压或冲压。采用此种方法制备出的反应层厚度小于因此减少了催化剂用量及成本。

　　在整个制备电极过程中不需要溶剂。因此有利于环保并节省了户燥所需的时间。将制备的超薄反应层用于质子交换膜燃料电池的膜电极，使得所用贵金属量减少，因此制备成本降低。可用于商业化应用。

　　2.3质子交换膜电解质膜质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心组件。是种隔膜材料。是电解质和电极活性物质的基底。

　　此外还是种选择透过性膜。它是质子交换膜燃料电池的核心组件。前在国内外成最广泛的仍然足山笑国也公司研制的全氟磺酸质子交换膜27，而且使用性能最佳的薄膜电解质，1之全氟磺酸质子交换膜具有优良的导电性能和其他系列优点，其主体材料是全氟磺酸型离子交换树脂。是种与聚氟乙烯相似的固体磺酸化含氟聚合物水合薄片。

　　继，出，膜之后。受，发前景鼓舞。美国0，化学公司和日本人83；公司也积极参与有关膜的研究。以期开拓产品市场。美国能源部资助下的美国，0！1心公司也在研制用于燃料电池的低成本高温固体聚合物电解质膜1 3现肘9.他们采用溶液吸收工艺，用浇注基体和聚苯基砜硝酸离子传导聚合物制备了复合固体聚合物电解质膜。通过调节基体的孔隙度以及离子传导聚合物溶液的浓度可以控制电解质膜的最终组成。这种电解质膜具有离子交换能力离子传导性气体渗透性和尺寸稳定性，性能优于目前商业化的电解2.4双极板在燃料电池组内，双极板的功能为1分隔氧化剂与还原剂，因此双极板必须具有阻气功能，不能用多孔透气材料；2具有集流作用。是电的良导体；3具有抗腐蚀能力；4是热的良导体以确保电池组温度均匀分布排热方案的实施；5在双极板两侧加工或置有使反应气体均匀分布的流道，即所谓的流场，以确保反应气体在整个电极各处分布均匀。

　　目前质子交换膜燃料电池面临的挑战是降低成本减轻电池堆的质量，其中关键的部件是分隔电池堆中单电池的双极板2双极板要求材料和加工工艺成本低质轻板薄良好择合适的双极板材料和制备技术可极大地改善电池的性能。

　　至今质子交换膜燃料电池广泛采用的双极板材料为无孔石墨板，寿国橡树岭国家实验室刚采用低成本泥，模塑法制备出片状石墨纤维预塑件，然后用化学气相渗透碳密封。制备出质子交换膜燃料电池用。0复合双极板。该双极板气密性好，并且具有较高的电导率；同时密度小。质量轻，双轴弯曲强度为175士26肘，4电池检测明其电池阻力小。效率高。

　　刊；1阳1；和研，机构14付1丁用厂质子交换脱燃料屯池双极板的几种材料进行了研究，这些材料包括镀金铝不锈钢。钛以及片状石墨等。片状石墨与标准石墨相比性能有很大提高，而且价格低廉。易于机加工，因此适于制备双极板。但它易于碰撞损伤，其压缩性阻碍了其在多电池堆的应用。铝即使在涂覆金后也易于与电解质膜反应。因此要使用铝作双极板必须保证涂层完全无孔隙。以避免沾污电解质膜，涂有氮化物的钛性能与传统石墨相似。但钛更易于制备，而且坚固。可在板中装入水冷却装置。同时板体积小。镀金的不锈钢性能优于传统石墨板，而且比钛便宜。但它的密度大，同时由于其钝化面层在结合温度下很稳定。因此难以进行扩散结合。但由于不绣钢相对成本低强度高易加工和成型，英国伯明翰大学燃料电池研宄小组仍将其作为质子交换膜燃料电池的双极板材料气在双极板研制方面。大连化学物理所燃料电池工程研宄中心首创了薄金属板改性制备双极板工艺。与传统的碳双极板相比，成本下降。更适用于批量生产，3质子交换膜燃料电池的应用现状质子交换膜燃料电池的应用范围很广。可用于固定式电源发电厂和备用电源等电动汽车船舶运输。便携式电源等。

　　在国内目前研究最多应用开发较成功的，是电动汽车用质子交换膜燃料电池继国内几家单位成功组装成电动车用质子交换膜燃料电池堆以后，2001年1月我国首台质子交换膜燃料电池电动汽车在车城湖北十堰试车成功13该车为国家九重点科技攻关项目。由大连化学物理所负责301评质子交换膜燃料电池及其系统的开发。电工研究所负责电气驱动控制系统的研宄开发东风汽车工程研究院负责整车设计匹配及整车控制系统的开发。该车的质子交换膜燃料电池是由以氢气为燃料的6台51电池组构成的电池堆，其整体性能相当于奔驰福特与加拿大巴拉德公司联合开发的肘7质子交换膜燃料电池电动车的水平，但目前使用的气体减压器。各种阀件等辅助部件尚与国外有定的差距。此车的研制成功，实现了我国质子交换膜燃料电池电动汽车研宄的零突破，为深入开展质子交换膜燃料电池电动汽车的研发和产业化打下基础。此外，上海神力科技有限公司以自行开发的质子交换膜燃料电池为动九成功研制出使用氢气和空气为燃料的电动游览车31.北京绿能飞驰电源技术有限公司和北京汽电动汽车研宄所联合研制的氢氧质子交换膜燃料电池电动汽车也己运行成功1321加拿大巴拉德81公司被认为是研制生产和销售用于运输发电和便携式电源产品的质子交换膜燃料电池的世界领导者。从1993年与巴拉德合作以来。戴姆勒克莱斯勒汽车公司己生产出代质子交换膜燃料电池电动汽车样机和代公共汽车样机。福特汽车公司在1999年生产出两辆质子交换膜燃料电池电动汽车样机，2000年底。在底特律又引进了丁尺15燃料电；±电动汽车样机；幻1；能源和美，41的资助下进行质子交换膜燃料电池电动汽车的研究。计划在2004年将其燃料电池电动汽车推向市场1331.

　　此外，质子交换膜燃料电池在小型摩托车方面亦有广阔的应用前景343利用质子交换膜燃料电池驱动的摩托车可极大地减轻城市污染。如果质子交换膜燃料电池电动摩托车能替代20的两缸摩托车，就可使00碳氢化合物和微粒物质的排放量分别减少6和12.与电动汽车相比。电动摩托车更商业化，1999年，加拿大巴拉德公司与日本雅马哈摩托车公司签署了25万美元的合同。为其提供摩托车用质子交换膜燃料电池。

　　除了在电动汽车上的应用外，质子交换膜燃料电池在船舶方面得到了大量应用3英国国防评估和研宄机构正在鉴定质子交换膜燃料电池在未来海军船只上的应用情况。他们计划利用质子交换膜燃料电池在船只停泊时提供12肘贾的电能。早在20世纪70年代质子交换膜燃料电池系统就被选择用作德国海车潜水艇的无2气发动机人吓，土决定将。用于潜水艇，1998年夏天由9个西门子3050让评质子交换膜燃料电池组成的电池系统应用于德国的212潜水艇上。在此基础上。西门子公司几乎同时研制出了120的吣，交换膜燃料屯池模件尸，国海军的笫批质子交换膜燃料电池可用作小型便携式电源，以替代目前常用的普通次电池和可充电电池，用于常温下使用的各类仪紧急备用情况和其它如笔记本电脑等设备。

　　在固定式电源方面，成立于1990年的美国能源组织；1芭1站己将研制出的小型质子交换膜燃料电池用于住宅电力系统。这种小型电池以天然气和空气作燃料，可连续提供3让贾的电能，并预计在2002年商业化。该组织目前正在研制以天然气和空气为燃料的2050贾大型固定式质子交换膜电源技术综燃料电池系统，以用于公寓和小型商业用户的发电装置。并预计在2004年商业化。巴拉德公司目前也正在研制用于固定电源用的燃料电池系统。其研制的2501评固定电池发电系统目前正在检测之中。2000年1月。巴拉德公司和日本东京燃气公4结语质子交换膜燃料电池作为新代的发电技米以其特有的高效率和环保性引起了全世界的关注，具有广阔的应用前景，按照目前的发展趋势。质子交换膜燃料电池技术将在本世纪成功地应用到我们日常生活的各个方面。从固定式电源到移动式电源；从电动汽车到航天飞船；从军用装备到民用产品，目前。

　　在燃料电池的技术上，国内外均取得了巨大突破。但国外已走向商业应用的阶段。我国的质子交换膜燃料电池目前在电动汽车应用方面已取得了成功。有望在电动汽车方面取得最早的商业化应用。但是燃料电池走向商业化的关键是燃料电池材料及部件的成本降低。因此，还须在低载铂量的电催化剂开发膜电极制备及双极板材料的选择上进行研宄。并开发新型料电池的燃料方面。应给予足够的重视。在国家的大力扶持相信我国的质子交换膜燃料电池的开发和应用会取得突破性进展。

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