燃料電池離子交換膜石墨烯

1. 用於質子交換膜燃料電池的柔性石墨雙極板

（清華大學材料科學與工程系 先進材料教育部重點實驗室，北京 100083）

一、內容簡介

質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，以下簡稱PEMFC）能夠等溫地按電化學方式直接將化學能轉化為電能，它不受卡諾循環限制，能量轉化率高（40%～60%），並且清潔、無污染（產物主要是水），被認為是21世紀首選的高效、潔凈的供電系統。雙極板作為PEMFC電池堆中單電池的連接組件，主要起著隔絕電池間氣體串通、分布燃料與氧化劑、支撐膜電極和串聯單電池形成電子迴路的作用。

目前開發的雙極板材料主要有金屬類和碳材料類。表面改性的金屬雙極板，其優點是可製成薄板（如0.1～0.5mm），並可採用沖壓沖剪等機械化生產方法加工孔道與流場，有利於降低雙極板成本，但金屬板的腐蝕問題一直沒有得到很好的解決。目前實際應用的是利用人造石墨製造的雙極板，用這類材料製作的雙極板導電及耐腐蝕性很好，但由於雙極板對氣密性的要求，製造過程中需要經過多次的樹脂浸漬、碳化、石墨化以及後續的流場加工等生產工藝，因此製作程序復雜，成本很高，成為制約燃料電池應用的一個重要因素。

在實驗室將天然鱗片石墨經化學或電化學處理形成可膨脹石墨，將可膨脹石墨膨化後得到蠕蟲狀的物質，並將膨化後的石墨「蠕蟲」模壓成一定密度、表面光潔度良好的板狀材料——柔性石墨板生產流程見圖1。由於膨化過程從鱗片石墨中基本清除了所有非天然化學成分，模壓或軋制僅僅是膨脹石墨的機械結合，因此最終的柔性石墨板基本上是純石墨，它具有天然石墨所具有的熱穩定性強、導電導熱性能好、耐腐蝕、不透氣性能好等優點。同時，經過一次成型的柔性石墨雙極板可以直接製造出表面的流場，因此，其成本大大降低。

圖1 柔性石墨板生產流程圖

經實驗室驗證，柔性石墨雙極板的強度可以達到30MPa；氦滲透率為（0.4～0.9）× 10^-6μm²，電導率達到1.1×10⁵S/m，熱導率達到129 W/（m·K），均優於目前使用的人造石墨雙極板。

二、推廣應用

經過實際測試，利用柔性石墨雙極板和人造石墨雙極板組裝的電池，其性能基本相同，而前者的成本僅為人造石墨雙極板的1/20～1/10。

三、鑒定、獲獎、專利情況

2004年12月由科技部組織專家驗收。

2. 國外石墨烯最新應用匯總，哪一個能率先突破

1、利用石墨烯膜可以將鹽從海水中分離
2、變形或破裂時可變色的石墨烯塗層可檢測裂紋
3、石墨烯光電晶體管有望用於光學技術
4、石墨烯有望促進神經細胞再生
5、用石墨烯和金去做優良腦探測器
6、石墨烯中的可控制電子為開發潛在電子設備提供新契機
7、石墨烯納米帶可實現超敏感質量檢測
8、石墨烯海綿添加劑可用於增強鋰電池性能
9、無水環境下，石墨烯氫燃料電池膜可提升電池效率
10、石墨烯膜可使核去污能量減少100倍
11、工程奇跡--石墨烯作為電極材料用於電子設備
12、研究人員解決了石墨烯的易燃性問題，從而開啟大規模生產的大門
13、石墨烯納米管混合物提升鋰金屬電池
14、三維石墨烯上的鎳鈷硫化物核/殼結構用於超級電容器
15、石墨烯可作為篩子過濾水中的離子
......等等
總之未來用途很廣

3. 石墨烯是什麼用途

1、防銹

石墨烯不溶於水，可以與聚合物混合作為防銹塗層

2、揚聲器

石墨烯通過傳輸電流產生的熱能而發聲。

3、超級電容

配備石墨烯超級電容的電腦晶元有望淘汰電池。

4、清理放射性廢棄物

石墨烯的氧化物微粒同放射性污染物結合可以使核廢料清除變得安全、便宜。

5、柔性電子線路

第一個石墨烯集成電路由IBM研發人員成功研製。

硅半導體晶元賦予計算機智能。它可以處理構成數字信息的基本單元的二進制代碼為1s和0s。石墨烯比硅具有更好的導電性，它使用更少的電力，產生更少的熱量，因此石墨烯在處理這些1s和0s極有可能比硅快得多。

6、人工肌肉

一層固定在聚合物上的石墨烯在有電流通過時會產生褶皺和伸展。

7、探測爆炸物

石墨烯泡沫可探測低濃度爆炸物。

8、DNA測序

石墨烯製成的泡沫過濾器可以用於DNA測序

9、防彈背心

石墨烯和碳納米管復合纖維比通常用於制備防彈背心的凱夫拉纖維具有更高的強度。

10、夜視

利用單層石墨烯作為底片，並在底片上添加硫化鉛晶體，即可製成一個兼具高靈敏性和高柔韌性的夜視光電探測器。

(3)燃料電池離子交換膜石墨烯擴展閱讀

2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和克斯特亞·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）發現他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。

他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然後將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，於是薄片越來越薄，最後，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。

石墨烯常見的粉體生產的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產方法為化學氣相沉積法（CVD）。

由於其十分良好的強度、柔韌、導電、導熱、光學特性，在物理學、材料學、電子信息、計算機、航空航天等領域都得到了長足的發展。作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為「黑金」，是「新材料之王」。

4. 電動汽車搭載石墨烯電池的話，充電速度真的會變快嗎

電動汽車搭載石墨烯電池的話，充電速度真的會變快嗎？

石墨烯被研究者和各大媒體譽為「新材料之王」，是人類已知強度高、韌性好、重量輕、透光率高、導電性佳的新型納米材料。

既然磷酸鋯能夠在質子交換膜燃料電池中有一席之地，那麼在鋰電池領域勢必也存在超強應用。待此項技術成熟，磷酸鋯作為一種能夠量產，成本可控的新材料，定將解決石墨烯暫存的遺留問題，推動電池行業發展！

5. 石墨烯有什麼用途

石墨烯是目前世界上最薄且最堅硬的納米材料，它幾乎完全透明，只吸收2.3%的光，導熱系數高達5300 W/m·K（高於碳納米管），常溫下電子遷移率超過15000cm2/V·s（高於碳納米管和硅晶體），電阻率只有10-6 Ω·cm，為目前世界上電阻率最小的材料，未來將在超多領域引發顛覆性的技術產業革命。

石墨烯的應用領域涉及鋰離子電池、超級電容器、導電油墨、觸摸屏、軟性電子、散熱材料、塗料、生物感測器、太陽能電池、燃料電池等。

1、超級計算機：石墨烯晶體管極有可能應用於超能效超高速計算機，超高速是指目前速度的一千倍，超能效是指僅使用目前百分之一的能耗。

來源：《揭秘未來100大潛力新材料（2019年版）》_新材料在線

6. 燃料電池主要核心部件是

燃料電池實際上是一個化學反應器，它把燃料同氧化劑反應的化學能直接轉化為電能。它沒有傳統發電裝置上的原動機驅動發電裝置，也沒有直接的燃燒過程。燃料和氧化劑從外部不斷輸入，它就能不斷地輸出電能。它的反應物通常是氫和氧等燃料，它的副產品一般是無害的水和二氧化碳。燃料電池的工作不只靠電池本身，還需要燃料和氧化劑供應及反應產物排放等子系統與電池堆一起構成完整的燃料電池系統。

一、電極

實際應用的燃料電池，需要有足夠高的電流密度，因而應提高電極反應的速率。燃料電池中的反應發生在電極表面(嚴格說是電極、氣體和電解質組成的三相界面)上，氫氣在陽極發生電極反應，產生的電子和質子分別通過外電路和電解質到達陰極，並在陰極與氧氣反應生成水。電子經過外電路時輸出了電能。

影響電極反應速率的主要因素是催化活性和電極表面積。燃料電池的電極不是簡單的固體電極，而是所謂的多孔電極。多孔的表面積是電極幾何面積的102一108倍。電極的催化活性對於低溫燃料電池尤為重要，因為電極反應在低溫時的速率很低。

另外燃料電池的電極還要求導電性好，耐高溫和耐腐蝕。

二、電解質

燃料電池中電解質的主要作用是提供電極反應所需的離子、導電以及隔離兩極的反應物質。與一般電解質不同，燃料電池中的電解質或者本身沒有流動性，或者被固定在多孔的基質中。

PEMFC的電解質是固態聚合物膜，允許質子通過，故稱為質子交換膜。

AFC的電解質是KOH溶液，根據電池工作溫度的不同(50一200cC)，KOH的濃度變化很大(35%一85%)。KOH被吸附在石棉基質中。KOH與COZ反應生成溶解度較低的KzCO，而造成堵塞，反應氣體中的CO2需要去除。

PAFC使用接近100%的磷酸為電解質，浸在多孔sic陶瓷中。濃磷酸的熱穩定性好，並可以吸收電極反應生成的水蒸氣，因而PAFC的水管理簡單。

MCFC的電解質是混合碳酸鹽(LieCO,-K2CO,)，基質為LiAMO2陶瓷，導電的離子是CO;一。

SOFC的電解質是多孔金屬氧化物，即Y2O,穩定的ZrO2，導電的離子是O2一。

三、雙極板

陰極、陽極和電解質構成一個單個燃料電池，其工作電壓約0.7V。為了獲得實際需要的電壓，須將幾個、幾十個甚至幾百個燃料電池連接起來，稱為電池堆。兩個相鄰的燃料電池通過一個雙極板連接。雙極板的一側與前一個燃料電池的陽極相連，另一側與後一個燃料電池的陰極連接(故稱為雙極板)。

雙極板的主要作用有3個，即收集燃料電池產生的電流、向電極供應反應氣體、阻止兩極之間反應物質的滲透。另外，雙極板還起到支撐、加固燃料電池的作用。

低溫(小於300cC)燃料電池的雙極板材料通常是石墨，高溫燃料電池的雙極板用不銹鋼或導電陶瓷製作。不論用何種材料，雙極板的設計和製作都是十分關鍵的。

7. 石墨烯的發展前景

很有發展前景。
石墨烯電池分為兩塊，一是傳統鋰電池上，二是利用石墨烯製造顛覆性的「超級電池」
鋰電池的強國是日本和韓國，韓國是發明充電16秒的石墨烯超級手機電池。日本則是研究鋰電池外，再研究燃料電池技術，這個是涉及到了使用石墨烯材料的催化劑而製成的。

特性（括弧裡面的是用途）：
超強導電性：電子遷移率是硅的100倍，電阻小於鋁、銀等金屬（集成電路、導電添加劑）
透光率極佳：透光率97.7%（電容屏、太陽能電池板）
超強導熱性：導熱系數5300W/mk，強於碳納米管、銅鋁等（導熱膜、超大規模納米集成電路散熱材料）
面積極大：比普通活性炭高出1130平方米（超級電容、鋰電池、感測器）
超強硬度：硬度超過金剛石，斷裂度是鋼鐵的100倍（防彈衣、飛機超輕材料）
除了以上特性外，其衍生出來的氧化石墨烯具有強載體和靶向性，能夠用作腫瘤診斷和治療。

8. 能不能簡述下燃料電池材料的發展歷程啊有急用，謝了啊。。。

燃料電池在發達國家的研究進展非常迅速。目前，已研製成功11MW、5MW、1MW的示範性磷酸燃料電池，並已經投入運行。由美國西屋公司在97年研製的固體氧化物燃料電池堆，已經成功地在日本東京和大阪兩個城市試驗完畢。美國國際燃料電池公司生產的PC-25型號的燃料電池最大功率可達200KW，目前已經進入了批量生產階段。該公司所提供的4.5MW和1MW電池堆已經於98年在日本進行了調試運行。同時，美國政府也十分支持燃料電池的開發，2000年美國預計對燃料電池的開發經費為4000萬美元，據報道，2001年度的預算申請額急劇增加到了1億美元。此外，安裝一定功率的燃料電池供電設備，政府還會給予總費用1/2的補貼。由於具有友好的開發環境，許多企業都加入到開發燃料電池的行列之中。我們鄰國日本從八十年代起開始研究和開發燃料電池。分別制定了1978年的「月光計劃」和1993年啟動的「新日光計劃」。經過階段性研究，日本在1981年由東京電力公司研製出了4500KW，接著1989年又推出了11000KW燃料電池裝置。1989年的11000KW燃料電池裝置，是由美國通用電力和日本東芝合資公司共同開發的IFC，它堪稱是世界上最大的磷酸型燃料電池發電廠。
同樣，我國在燃料電池開發中進行了許多研究工作。燃料電池在中國的研究起步比較晚，雖然早在上個世紀60年代末，我國科學家就已經開展了對燃料電池的研究。然而，由於種種原因，在七十年代後期許多研究就相繼停止了。這導致我國的燃料電池技術與世界先進水平差距較大。進入了九十年代初，由於國外民用燃料電池的迅速發展，我國又興起了對燃料電池的研究熱。我國的質子交換膜燃料電池（PEMFC）技術研究在「九五」期間被列為國家「九五」計劃中重大科技攻關項目之一，在國家自然科學基金會、「863」計劃和國家科委等的支持下，目前有一大批高等院校如清華大學、北京科技大學、上海交通大學、武漢大學、華南理工大學等都加入到了燃料電池的基礎理論研究中來，大連化物所、天津電源研究所、北京福源公司、上海神力科技有限公司等在PEM燃料電池技術的研究方面都取得了重要成[4]，在「十五」期間，我國的燃料電池技術可望得到突破性進展。通過十幾年的不懈努力，在燃料電池技術方面的研究我國已經取得了很大的進展，特別是在PEM燃料電池方面，但由於我們起步比較晚，很多技術仍然處於科研階段。國家科技部和中國科學院在「九五」中安排了「燃料電池技術」攻關項目，以大連化物所為牽頭單位，在全中國開展了PEM燃料電池的電池材料與電池系統的研究。旨在開發具有自主知識產權的燃料電池技術，主攻PEM燃料電池。目前以純氫為燃料的30kW PEM燃料電池為動力的中巴車，已於2001年1月成功運行，該電池堆整體性能相當於賓士、福特與加拿大巴拉德公司聯合開發的MK7PEM燃料電池電動車的水平。該中巴車是我國第一台真正意義上的燃料電池驅動的電動汽車，擁有自主的知識產權，將對我國的環保、能源及交通等領域產生深遠的影響，開辟了綠色動力的新紀元[5]。
綜上所述，目前燃料電池技術已處於商業化的前夜，阻礙燃料電池商業化的最大障礙目前有兩個：一個是成本，另一個是氫源。國際上正在開發燃料電池批量生產技術，研製新電池材料，進一步降低成本。盡管PEM燃料電池具有高效、環境友好等突出優點，但目前只能在特殊場所應用和試用。若作為商品進入市場，必須大幅度降低成本，使生產者和消費者均能從中獲得利益。如作為電動車動力源，PEM燃料電池造價應能與汽油、柴油發動機相比(約50$/kW)，若作為各種攜帶型動力源，其造價必須與各種化學電源相當。盡管國際上主要汽車公司都正式宣布在2007年實現燃料電池汽車的商業化，但仍在許多問題有待解決，而且有些問題至今沒有找到解決的方法，隨著研究開發的深入，還必然會產生一些新問題。同時科學家們也在不斷開發可用氫的來源，目前可用氫的主要來源有兩類：一類是純氫，其技術已經成熟，但需要建立加氫站；另一類是甲醇或重整制氫，技術還需要進一步完善。專家估計，最早進行商業化的燃料電池汽車在2006—2008年可進入市場。在國內，千瓦級PEM燃料電池方面已基本完成試運行，具備了商業化開發的能力，該技術在國際上也產生了一定的影響。但用於剛剛起步的電汽車，還需要進一步加強研發力量，多完成一些技術上的突破， 使我國的汽車產業在短時間內趕超發達國家水平，保護地球環境的重要性今後將尤為突出，所以21世紀以燃料電池為動力的交通體系有望得以實現，同時可以更好地改善城市中汽車污染嚴重等問題。

9. 燃料電池分為哪幾種

可以按燃料類型分類，或者工作溫度分類，但一般都是以電解質的類型來分類的，可分為鹼性燃料電池（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)和質子交換膜燃料電池(PENFC)五大類。

目前，有5種已知的燃料電池類型。其名稱與採用的相應的電解質有關。

（1）鹼性燃料電池（AFC）——採用氫氧化鉀溶液作為電解液。
這種電解液效率很高（可達60一90％），但對影響純度的雜質，如二氧化碳很敏感。因而運行中需採用純態氫氣和氧氣。這一點限制了將其應用於宇宙飛行及國際工程等領域。
（2）質子交換膜燃料電池（PEMFC）採用極薄的塑料薄膜作為其電解質。這種電解質具有高功率一重量比和低工作溫度。是適用於固定和移動裝置的理想材料。
（3）磷酸燃料電池（PAFC）採用200℃高溫下的磷酸作為其電解質。很適合用於分散式的熱電聯產系統。
（4）熔融碳酸燃料電池（MCFC）的工作溫度可達650℃。這種電池的效率很高，但材料需求的要求也高。
（5）固志氧燃料電池（SOFC）採用的是固態電解質（鑽石氧化物），性能很好。他們需要採用相應的材料和過程處理技術，因為電池的工作溫度約為1000℃。