读书报告

读 书 报 告

（PEM Fuel Cell：Theory and Practice）

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专 业：动力工程及工程热物理

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目 录

1.引言 ............................................................................................................................................. 1

2.燃料电池简史 ........................................................................................................................... 2

3.内容摘要 .................................................................................................................................... 3

3.1燃料电池概述 .................................................................................................. 3

3.2质子交换膜燃料电池 ...................................................................................... 4

3.2.1质子交换膜燃料电池的工作原理 ....................................................... 4

3.2.2燃料电池电化学和热力学基础 ........................................................... 5

3.2.3质子交换膜燃料电池的主要部件 ....................................................... 6

3.2.4电池组设计 ........................................................................................... 7

3.2.4质子交换膜燃料电池建模 ................................................................... 8

3.3应用 .................................................................................................................. 9

4.读后思考 .................................................................................................................................. 10

1.引言

能源是社会经济发展的动力，环境污染的急剧加重，一次能源的大量消耗，社会发展的迫切需要，无不表明研究一种高效、清洁、经济、安全能源的重要性。燃料电池以其发电效率高、环境污染少等优点在各种新型能源中脱颖而出。燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的一种装置。燃料电池有以下多种优点：(1)能量的转化率高，直接将燃料的化学能转化为电能而不经过燃烧过程；(2)安放地点灵活，其电站占地面积小，电站功率大小可根据需要由电池堆组装，非常方便；(3)负荷的响应快，运行的质量高，燃料电池在数秒钟内就可以实现从最低功率到额定功率的转换；(4)对环境友好，燃料电池排放物大部份是水，某些燃料电池虽然亦也排放二氧化碳，但其排放量远低于汽油之排放量(约其1/6)。作为即将踏入燃料电池研究的我们，读一本写燃料电池基础原理的书是必然要求，而且相关书籍更是应该多涉猎。有幸加入清洁能源与先进动力团队，从事燃料电池的研究，我应该尽快提高自己的科研素质，争取早日融入这紧张的科研当中，为新能源的研究贡献自己的一份薄力。要想对燃料电池有比较深入的了解，进而有更深的研究，读大量英文文献是必不可少的，所以选择了这本比较基础的专业英文书《PEM Fuel Cells: Theory and Practice》来读。

燃料电池技术的需求正在迅速增长，也逐渐被商业化例如为学校或医院等建筑提供电力, 在便携式电子设备中替代电池，用在车辆中替代内燃机。比起其他的燃料电池PEM质子交换膜燃料电池更轻,更小,更高效。因此,现在生产的大多为PEM质子交换膜燃料电池。Frano Barbir博士的这个新版本的书为从事燃料电池的,工程师,技术人员以及学生提供了宝贵的资源,包括燃料电池的设计原理、电化学、热量和质量输运以及系统设计和应用程序。另外还提供了一些无价的信息：建模的最新进展,材料和组件。

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2.燃料电池简史

1839年，格罗夫（W.R.Grove）发表了世界第一篇有关燃料电池研究的报告，他研制的单电池用镀制的铂作为电极，以氢为燃料，氧为氧化剂。1889年蒙德（L.Mond）和朗格尔

（C.Langer）采用浸有电解质的多孔非传导材料作为电池隔膜，以铂黑作为电催化剂，以钻孔的铂或金片为电流收集器组装出燃料电池，这种燃料电池结构接近现代的燃料电池。此后，奥斯瓦尔德（W.Ostwald）等人想采用煤等矿物质作为燃料，利用燃料电池原理发电，但是实验没有取得成功。19xx年施密特（A.Schmid）和培根（F.T.Bacon）分别提出了多空气体扩散电极和双孔结构电极的概念，且培根采用非贵金属催化剂和自由电解质，开发成功了中温培根碱性燃料电池。在此基础上，20世纪60年代普拉特-惠特尼公司研制阿波罗登月飞船上作为主电源的燃料电池系统。19xx年黑斯（G.W.Heise）等以蜡为防水剂制备出憎水电极。20世纪60年代初，美国通用电气公司研制出以离子交换膜为电解质隔膜，采用高铂黑作为电催化剂的质子交换膜燃料电池（PEMCF）并于19xx年首次将该种燃料电池用于双子飞船飞行作为船上的主电源。

经过60年代的研究，人们意识到，化石燃料只有经过重整或气化转化为富氢燃料，才适宜用于燃料电池开发。70年代各国研究和发展的重点是以净化重整气为燃料的磷酸燃料电池（PAFC）和以净化煤气、天然气为燃料的熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）。至今已有近百台PC25磷酸燃料电池电站在世界各地运行。实践证明，它们的运行高度可靠，能作为各种应急电源与不间断电源广泛使用。在此期间，熔融碳酸盐燃料电池也有了很大的发展，目前已有2MW实验电站在运行。固体氧化物燃料电池采用固体氧化物膜电解质，直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作燃料，余热与燃气、蒸汽轮机构成联合循环发电，已在进行数十千瓦和100kW的固体氧化物燃料电池电站实验。

60年代初，杜邦（Du Pont）公司成功开发含氟的硫酸型质子交换膜，通用电气公司用这种膜组装的质子交换膜燃料电池运行寿命超过了57000h。19xx年加拿大国防部斥资支持巴拉德动力（Ballard Power）公司研究这类电池，在各国科学家的努力下，相继解决了电极结构立体化、大幅度降低催化剂铂用量、电极-膜-电极三合一组件(EMA)的热压合以及电池内传递与平衡等一系列技术问题，目前这种质子交换膜燃料电池组的质量比功率和体积比功率已分别达到或超过1kW/kg或1kW/L，成为电动车和潜艇不依赖空气推进的最佳动力源。各种以燃料电池为动力的汽车和移动设备均已投入使用，相信很快更多关于燃料电池的产品大量进入人们的生活为人类能源与动力历史做出巨大贡献。

燃料电池用途广泛，既可应用于军事、空间、发电厂领域，也可应用于机动车、移动设备、居民家庭等领域。早期燃料电池发展焦点集中在军事空间等专业应用以及千瓦级以上分散式发电上。电动车领域成为燃料电池应用的主要方向，市场已有多种采用燃料电池发电的自动车出现。另外，透过小型化的技术将燃料电池运用于一般消费型电子产品也是应用发展方向之一，在技术的进步下，未来小型化的燃料电池将可用以取代现有的锂电池或镍氢电池等高价值产品，作为用于笔记本电脑、无线电电话、录像机、照相机等携带型电子产品的电源。近20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。在所有燃料电池中，碱性燃料电池（AFC）发展速度最快，主要为空间任务，包括航天飞机提供动力和饮用水；质子交换膜燃料电池（PEMFC）已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用；磷酸燃料电池（PAFC）作为中型电源应用进入了商业化阶段，是民用燃料电池的首选；熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）也已完成工业试验阶段；起步较晚的固态氧化物燃料电池（SOFC）作为发电领域最有应用前景的燃料电池，是未来大规模清洁发电站的优选对象。

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3.内容摘要

3.1燃料电池概述 燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池。

氢-氧燃料电池反应原理是电解水的逆过程。电极应为：

负极：H2+2OH?→2H2O+2e? （3-1） 1正极：2O2+H2O+2e? →2OH? （3-2）

电池反应：H2+2O2→H2O （3-3）

另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

燃料电池的主要构成组件为：电极、电解质隔膜与集电器等。燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。电极主要可分为阳极和阴极，厚度一般为200－500mm；其结构为多孔结构，由于燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也是燃料电池当初所以能从理论研究阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十毫米至数百毫米；材质目前主要朝两个发展方向，其一是先以石棉 膜、碳化硅膜、铝酸锂膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂－钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内，另一则是采用全氟磺酸树脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFC）。集电器又称作双极板，具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。在只有单个电池中，没有双极板（只有单面的流场板），但在带有多个电池的燃料电池中，通常至少有一个双极板。双极板在燃料电池中扮演许多角色，它们在电池内分配燃料与氧化剂，分隔堆中的单个电池，收集电流，从各电池中移去水，湿润气体，冷却电池等。为了同时执行这些功能，需要使用特殊的板材料和设计，常用的设计方案包括直形、蛇形、平行、交叉梳状或针形流场。最常用的材料是不锈钢、钛、LaCrO3、YCrO3、无孔石墨、掺杂的聚合物。双极板在两面也有反应物流道，在双极板的反面形成单元电池的阳极和阴极舱。

按其工作温度是不同，把燃料电池氛围低温燃料电池和高温燃料电池。其中低温燃料电池包括碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）；高温燃料电池有熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）。

按燃料的处理方式的不同，可分为直接式、间接式和再生式。直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型。间接式的包括重整式燃料电池和生物燃料电池。再生式燃料电池中有光、电、热、放射化学燃料电池等。按照电解质类型的不同，可分为碱型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸盐型、固体电解质型燃料电池。

各种燃料电池的相关信息如下表所示：

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3.2质子交换膜燃料电池

《PEM Fuel Cells: Theory and Practice》这本书主要介绍了质子交换膜燃料电池的原理、应

用及建模。

3.2.1质子交换膜燃料电池的工作原理

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)，简称PEMFC。质子交换膜燃料电池由两块多孔电极组成。电极一侧负载催化剂，粘结在质子交换膜上构成膜电极集合体。多孔电极另一侧与极板接触，极板制成槽形以便燃料和氧化剂气体通过。这些极板同时也作集流体使用，与电极的电接触可通过这些有流体流场的极板实现。

将氢气送到负极，经过催化剂（铂）的作用，氢原子中两个电子被分离出来，这两个电子在正极的吸引下，经外部电路产生电流，失去电子的氢离子（质子）可穿过质子交换膜（即固体电解质），在正极与氧原子和电子重新结合为水。由于氧可以从空气中获得，只要不断给负极供应氢，并及时把水（蒸汽）带走，燃料电池就可以不断地提供电能。在燃料电池中起着传递质子作用的关键就是质子交换膜，而质子交换膜和催化剂结合后就构成了燃料电池的核心部件膜电极。

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以下为质子交换膜燃料电池的原理图：

图3-1 质子交换膜燃料电池示意图

3.2.2燃料电池电化学和热力学基础

以氢、氧为例，基本的燃料电池主要化学反应为：

阳极：H2→2H+ + 2e? （3-4） 1阴极：2O2+2H+ + 2e?→H2O （3-5）

总反应：H2+2O2→H2O （3-6）

这个反应的焓差 △H=（??）

这个反应的熵差 △S=（??）H2O1—（??）H2 —2（??）

11O2

H2O—（??）H2 —2（??）O2

而Gibbs自由能 △G=△H—T△S

电功???=qE

式中 ???是电功（J/mol）；q是电荷（C/mol）；E是电势（V）

每摩尔氢气的总电荷 q=n???? ???

式中n是每个氢气分子里所含电子个数：2；????是每摩尔物质所含分子个数：6.022*1023个/mol； ???是每个电子的电荷：1.602*10?19C

故法拉第常数F=???? ???=96485C/mol

所以电功???=nFE

而???=-△G

?△?故燃料电池的理论电势为E=??

实际的燃料电池电势也受温度和压力影响：ET,P=-(nF-nF)+ nF理想燃料电池效率为?=△H △G△HT△SRTPH2P0.5OPH2O

由于电势损失，实际燃料电池电势远小于理论电势，产生电势损失的主要有以下几种因素:电极反应的动力过程，内部电和离子阻力，反应物进入反应场所的阻力，内部电流和交

叉反应。

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极化:当燃料电池运行并输出电能时，电池的电压从电流密度i=0时的静态电势??降为V，其差值??—V=? 称为极化。V与I的关系图称为极化曲线。极化包括阳极极化、阴极极化和欧姆极化，物质浓度和化学反应过程都将影响极化。

3.2.3质子交换膜燃料电池的主要部件

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。

质子交换膜是PEMFC的核心部件，质子交换膜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膜和Dow膜。

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。

催化层，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。

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

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散热的电堆，极板的导热率必须超过100w/（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。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0.1~0.3mm)，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。

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100~300μm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。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。

3.2.4电池组设计

在设计燃料电池时必须考虑到许多参数，设计时需要考虑的一些基本设计因素包括：要求的功率、大小、质量、体积、成本、瞬时响应和工作条件。从这些初始要求，选择更为详细的设计要求（如电池数、材料和组成部件选择、流场设计等）。最常用的堆设计是双极配置，可供选择的配置方案还有管状配置、柱状流场配置、平面配置和无膜堆配置。

电池组是由单池组成的，电池组的结构设计要以单池的的实验结果为基础，各种关键材料（如电催化剂、电极、质子交换膜）的性能与寿命最终必须经过单电池实验的考核。绝大多数PEMFC电池组是按压滤机方式组装的而且大多采用内共用管道形式。电池组的主体为MEA、双极板及相应的密封件单元的重复，一端为氧单极板，可兼作电流导出板为电池组的正极；另一端为氢单极板，也兼作电流导入板，为电池组的负极。与这两块导流板相邻的事电池组端板，也称夹板，在其上除布有反应气与冷却液进出通道外，周边还均布一定数目的圆孔在组装电池组时，圆孔内穿入螺杆，给电池施加一定的组装力。若两块端板用金属制作还需在导流板与端板之间加入由工程塑料制备的绝缘板。

电池组有两个重要指标，一是电池组在标定功率下运行时的能量转化效率，二是电池组在标定功率下运行时的质量比功率和体积比功率。对用于民用发电（如家庭电源或分散电站）能量转化效率更为重要；对于用于电动车的PEMFC发动机或各种可移动动力源，则对电池组的质量比功率与体积比功率的要求更显得重要。电池组的设计除了与效率、比功率有关同时也应考虑寿命与关键材料（不同的用途，对电池组寿命的要求不同）、反应气纯度与流场（流场结构对PEMFC电池组至关重要，且与反应气纯度、电池系统的流程密切相关，根据具体条件进行化工计算）、电池组密封（按照设计的密封结构，在电池组组装力的作用下，达到反应气、冷却液不外漏，氧化剂、燃料和冷却液不互窜）。在组装燃料电池组时依靠电

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极-膜-电极和双极板上的定位机构的定位作用，确保电池组内各部件无相对位移发生，形成比较光滑的供反应气流动与分配的共用通道。组装电池组工艺与过程要确保电池组密封，电池组各节单池的电极-膜-电极与双极板有良好的接触。

质子交换膜燃料电池获得最佳性能的主要挑战之一就是保持电极-膜-电极的水平衡，聚合物膜的水含量可影响若干过电压，干燥和淹没都会对燃料电池的性能造成负面影响。为使膜保持充分的水合，对电流密度、温度、反应物流速、压强、湿度、电池设计和组成器件材料等众多参数需要进行优化。

3.2.4质子交换膜燃料电池建模

燃料电池模型用于描述电池中所发生的基本现象，有助于改善燃料电池设计，并使之更便宜、更好、更高效。由于燃料电池电池组采用封装结构，成本高，难以通过实验来研究其中的气体分配以及电池组结构等变化对电池组性能的影响，因此对电池组建立数学模型的方法得到了广泛的应用。燃料电池模型需要一些假设，建模中共用的假设为：(1)理想气体特征；(2)不可压缩流；（3）层流；（4）同性和同质的电解质、电极和双极板材料结构；（5）各组成部件可忽略不计的欧姆电势降；（6）使用平均体积守恒公式，从宏观角度，对质量和能量传输进行建模。

燃料电池建模的控制方程

质量守恒：

?ρ

?t+?·（??）=0

ddd式中?是密度（kg/m3）；?是速度（m/s）；?是运算符，dx + dy dz

动量守恒：

?(ρv)

?t??? +?·（ρvv）= -?p+(???? ??)+Sm 式中p是流体压强（Pa）；?

能量守恒： 是混合物平均粘度（kg/m·s）；Sm是外力

????(???)??? +(???)???(v·?T)=?·(?????T)+Se

式中??是混合物平均比热（J/kg·K）；T是温度（K）；?是传热导率(W/ m·K)；Se是能量源。

物质守恒：

?(????)??? +?·(vερ??)=?·(? ?????) +Ss,i 式中??是气体物质的质量分数，i=1,2,3···N；Ss,i是额外物质源。

电荷守恒：

????·(? ????)=S?s

式中? ?是固体状态的电传导率（S/cm）；?s是固体状态电势（V）。

数学建模有利于优化和表征决定电极性能的材料特性和组成、微结构参数、厚度，以及与临近层的黏结情况。在电极建模中要确定物质的扩散速度，要确定质量流量，确定质量流量的三种方法是：Fick定律的扩散模型、Stefan-Maxwell模型和Dusty气体模型。燃料电池建模中另一个重要的组成部分是构建离子传输和电子传输模型。在燃料电池模型中普遍假设电解质是欧姆损失的主要作用因素，因此，忽略电极中的电荷传输。电荷传输的控制公式为欧姆定律、电子和离子电荷平衡式，以及电荷守恒公式。对这些公式进行解算将得到局部电流和拒不损失，并描绘出电子电荷的消耗情况和离子电荷的形成情况。最常用的解算电荷传输过程控制公式的方法是等效电路法和电荷平衡法。为了准确预测温度相关的参数以及反应速度和物质的传输，需要准确确定温度和热分布。在构建燃料电池热传输模型的过程中，一个关键的参数是确定热在电极的何处被释放。

???

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3.3 应用 质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年的基础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。由于质子交换膜燃料电池发电系统有望成为移动装备电源和重要建筑物备用电源的主要发展方向，因此有许多问题需要进行深入的研究。就备用氢能发电系统而言，除质子交换膜燃料电池单电池、电堆质量、效率和可靠性等基础研究外，其应用研究主要包括适应各种环境需要的发电机集成制造技术，质子交换膜燃料电池发电机电气输出补偿与电力变换技术，质子交换膜燃料电池发电机并联运行与控制技术，备用氢能发电站制氢与储氢技术，适应环境要求的空气(氧气)供应技术，氢气安全监控与排放技术，氢能发电站基础自动化设备与控制系统开发，建筑物采用质子交换膜燃料电池氢能发电电热联产联供系统，以及质子交换膜燃料电池氢能发电站建设技术等等。采用质子交换膜燃料电池氢能发电将大大提高重要装备及建筑电气系统的供电可靠性，使重要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电的方式向市电与中、小型质子交换膜燃料电池发电装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电的灵活发供电系统转变，极大地提高建筑物的智能化程度、节能水平和环保效益。

除应用于汽车，燃料电池在交通、军事、通讯等领域均具有广阔的应用前景。发达国家

均投入巨大的人力物力从事这一技术的研发。

20世纪60年代，美国首先将PEMFC用于Gemini宇航飞行。伴随着全氟磺酸型质子交换膜碳载铂催化剂等关键材料的应用和发展，80年代，PEMFC的研究取得了突破性进展，电池的性能和寿命大幅提高，电池组的体积比功率和质量比功率分别达到1000W/L、700W/kg，超过了DOE和PNGV制定的电动车指标。90年代以来，基于质子交换膜燃料电池高速进步，各种以其为动力的电动汽车相继问世，至今全球已有数百台以PEMFC为动力的汽车、潜艇、电站在国内外示范运行。

由于质子交换膜燃料电池高效、环保等突出优点，引起了世界各发达国家和各大公司高度重视，并投巨资发展这一技术。美国政府将其列为对美国经济发展和国家安全至为关键的27个关键技术领域之一；加拿大政府将燃料电池产业作为国家知识经济的支柱产业之一加以发展；美国三大汽车公司（GM，Ford ,Chryster）、德国的Dajmier-Benz、日本的Toytomotor等汽车公司均投入巨资开发PEMFC汽车。现已将燃料电池汽车投入使用。处于领先地位的加拿大Ballard公司已经开始出售商业化的各种功率系列的PEMFC装置。

加上各种能源动力企业对燃料电池的发展信心十足，所以燃料电池未来市场将有巨大的上升空间。

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Cell Voltage(V)2Current density(A/m)

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读书报告

4.读后思考

这本《PEM Fuel Cells: Theory and Practice》是我读的第一本专业性英语读本，对于英语底子比较薄弱的我来说，开始读的时候确实有很大困难。由于掌握的词汇量少，对本专业词汇也不太熟悉，开始就总上有道查单词，读起来很吃力，不过随着读书词汇的积累，对英语语感的熟练，我的阅读速度逐渐提升，理解能力也有所提高，原本觉得不可思议的事情就这样坚持下来了。读这本书不仅提高我的英语阅读能力，更让我在专业上对燃料电池的“前世今生”有了更多了解。不过本人能力有限，书中所述内容仍有些许没有弄透的地方，希望通过以后对燃料电池更多的学习与研究工作能让我的疑惑得到解答。

读这本书让我对燃料电池有初步认识，也从开始的一无所知到现在的兴趣大增。另外我也在读书过程中，通过互联网了解到燃料电池的发展现状与研究现状。国内从事燃料电池的研究单位多达30多家。20xx年2月全球最大的质子交换膜燃料电池示范电站落户广州大学城。由华南理工大学自己设计、自己建造的这座示范电站的落成，标志着广东省在燃料电池技术这一重要的新能源技术研究和开发方面走在了世界的前列，也为质子交换膜燃料电池这项新能源技术在广东省的商业化奠定了重要的基础。中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、上海空间电源研究所、上海神力等很多单位在开展PEMFC的研究，并取得了长足进展，接近国外先进水平。就技术而言，千瓦级的PEMFC技术已基本成熟，阻碍其大规模商业化的主要原因是燃料电池的价格还远远没有达到实际应用的要求，影响燃料电池成本的两大因素是材料价格昂贵和组装工艺没有突破，例如使用贵金属铂作为催化剂；昂贵的质子交换膜及石墨双击板加工成本等，导致PEMFC成本约为汽油、柴油发动机成本（50$/kW）的10~20倍。PEMFC要作为商品进入市场，必须大幅度降低成本，这有赖于燃料电池关键材料价格的降低和性能的进一步提高。

节能环保是国家可持续发展战略的主旋律，高新技术发展是A股大步向前的动力。环保与高新技术交集处有很多行业，而其中结合最为紧密又最贴近我们生活的无疑是汽车行业。不过一提到新能源汽车，更有可能成为未来市场的主流，那就是燃料电池汽车。日本东京计划投资452亿日元(约合3.85亿美元)作为燃料电池车(FCV)的补贴以及加氢站的建设费用，推广氢能源在日本的使用。丰田首款量产FCV Mirai在日本上市首月就已获得1500辆订单，接近此前预期的4倍，而本田近期也发布了其新一代燃料电池车概念车，预计今年正式推出。与此同时燃料电池汽车也面临不少挑战，目前氢燃料电池汽车的推广面临基础设施匮乏的窘境。大力支持燃料电池汽车发展的加州，也只有区区10个加氢站。丰田表示，至20xx年底加州将建成20个加氢站，20xx年底加氢站数量可达到40个。除了汽车上的应用，燃料电池充电器也投入使用。在过去几年当中，已经有多款氢燃料充电器投放市场，让用户无需电池或电源插座即可对智能设备进行充电。现在一款名为UPP由英国公司Intelligent Energy制造的氢燃料电池充电器已经发布，和之前类似产品相比，它具有更高的功率容量。该UPP拥有25Wh功率容量，大约是在它之前出现类似充电器容量的两倍。

由此观之，燃料电池的发展前景还是很好的，尽管现在还有很多需要提高的技术。我们更应该多多学习相关知识，为燃料电池进一步发展提出技术支持。

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