燃料电池离子交换膜石墨烯

1. 用于质子交换膜燃料电池的柔性石墨双极板

（清华大学材料科学与工程系 先进材料教育部重点实验室，北京 100083）

一、内容简介

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，以下简称PEMFC）能够等温地按电化学方式直接将化学能转化为电能，它不受卡诺循环限制，能量转化率高（40%～60%），并且清洁、无污染（产物主要是水），被认为是21世纪首选的高效、洁净的供电系统。双极板作为PEMFC电池堆中单电池的连接组件，主要起着隔绝电池间气体串通、分布燃料与氧化剂、支撑膜电极和串联单电池形成电子回路的作用。

目前开发的双极板材料主要有金属类和碳材料类。表面改性的金属双极板，其优点是可制成薄板（如0.1～0.5mm），并可采用冲压冲剪等机械化生产方法加工孔道与流场，有利于降低双极板成本，但金属板的腐蚀问题一直没有得到很好的解决。目前实际应用的是利用人造石墨制造的双极板，用这类材料制作的双极板导电及耐腐蚀性很好，但由于双极板对气密性的要求，制造过程中需要经过多次的树脂浸渍、碳化、石墨化以及后续的流场加工等生产工艺，因此制作程序复杂，成本很高，成为制约燃料电池应用的一个重要因素。

在实验室将天然鳞片石墨经化学或电化学处理形成可膨胀石墨，将可膨胀石墨膨化后得到蠕虫状的物质，并将膨化后的石墨“蠕虫”模压成一定密度、表面光洁度良好的板状材料——柔性石墨板生产流程见图1。由于膨化过程从鳞片石墨中基本清除了所有非天然化学成分，模压或轧制仅仅是膨胀石墨的机械结合，因此最终的柔性石墨板基本上是纯石墨，它具有天然石墨所具有的热稳定性强、导电导热性能好、耐腐蚀、不透气性能好等优点。同时，经过一次成型的柔性石墨双极板可以直接制造出表面的流场，因此，其成本大大降低。

图1 柔性石墨板生产流程图

经实验室验证，柔性石墨双极板的强度可以达到30MPa；氦渗透率为（0.4～0.9）× 10^-6μm²，电导率达到1.1×10⁵S/m，热导率达到129 W/（m·K），均优于目前使用的人造石墨双极板。

二、推广应用

经过实际测试，利用柔性石墨双极板和人造石墨双极板组装的电池，其性能基本相同，而前者的成本仅为人造石墨双极板的1/20～1/10。

三、鉴定、获奖、专利情况

2004年12月由科技部组织专家验收。

2. 国外石墨烯最新应用汇总，哪一个能率先突破

1、利用石墨烯膜可以将盐从海水中分离
2、变形或破裂时可变色的石墨烯涂层可检测裂纹
3、石墨烯光电晶体管有望用于光学技术
4、石墨烯有望促进神经细胞再生
5、用石墨烯和金去做优良脑探测器
6、石墨烯中的可控制电子为开发潜在电子设备提供新契机
7、石墨烯纳米带可实现超敏感质量检测
8、石墨烯海绵添加剂可用于增强锂电池性能
9、无水环境下，石墨烯氢燃料电池膜可提升电池效率
10、石墨烯膜可使核去污能量减少100倍
11、工程奇迹--石墨烯作为电极材料用于电子设备
12、研究人员解决了石墨烯的易燃性问题，从而开启大规模生产的大门
13、石墨烯纳米管混合物提升锂金属电池
14、三维石墨烯上的镍钴硫化物核/壳结构用于超级电容器
15、石墨烯可作为筛子过滤水中的离子
......等等
总之未来用途很广

3. 石墨烯是什么用途

1、防锈

石墨烯不溶于水，可以与聚合物混合作为防锈涂层

2、扬声器

石墨烯通过传输电流产生的热能而发声。

3、超级电容

配备石墨烯超级电容的电脑芯片有望淘汰电池。

4、清理放射性废弃物

石墨烯的氧化物微粒同放射性污染物结合可以使核废料清除变得安全、便宜。

5、柔性电子线路

第一个石墨烯集成电路由IBM研发人员成功研制。

硅半导体芯片赋予计算机智能。它可以处理构成数字信息的基本单元的二进制代码为1s和0s。石墨烯比硅具有更好的导电性，它使用更少的电力，产生更少的热量，因此石墨烯在处理这些1s和0s极有可能比硅快得多。

6、人工肌肉

一层固定在聚合物上的石墨烯在有电流通过时会产生褶皱和伸展。

7、探测爆炸物

石墨烯泡沫可探测低浓度爆炸物。

8、DNA测序

石墨烯制成的泡沫过滤器可以用于DNA测序

9、防弹背心

石墨烯和碳纳米管复合纤维比通常用于制备防弹背心的凯夫拉纤维具有更高的强度。

10、夜视

利用单层石墨烯作为底片，并在底片上添加硫化铅晶体，即可制成一个兼具高灵敏性和高柔韧性的夜视光电探测器。

(3)燃料电池离子交换膜石墨烯扩展阅读

2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和克斯特亚·诺沃消洛夫（Konstantin Novoselov）发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。

他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。

石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。

由于其十分良好的强度、柔韧、导电、导热、光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”。

4. 电动汽车搭载石墨烯电池的话，充电速度真的会变快吗

电动汽车搭载石墨烯电池的话，充电速度真的会变快吗？

石墨烯被研究者和各大媒体誉为“新材料之王”，是人类已知强度高、韧性好、重量轻、透光率高、导电性佳的新型纳米材料。

既然磷酸锆能够在质子交换膜燃料电池中有一席之地，那么在锂电池领域势必也存在超强应用。待此项技术成熟，磷酸锆作为一种能够量产，成本可控的新材料，定将解决石墨烯暂存的遗留问题，推动电池行业发展！

5. 石墨烯有什么用途

石墨烯是目前世界上最薄且最坚硬的纳米材料，它几乎完全透明，只吸收2.3%的光，导热系数高达5300 W/m·K（高于碳纳米管），常温下电子迁移率超过15000cm2/V·s（高于碳纳米管和硅晶体），电阻率只有10-6 Ω·cm，为目前世界上电阻率最小的材料，未来将在超多领域引发颠覆性的技术产业革命。

石墨烯的应用领域涉及锂离子电池、超级电容器、导电油墨、触摸屏、软性电子、散热材料、涂料、生物传感器、太阳能电池、燃料电池等。

1、超级计算机：石墨烯晶体管极有可能应用于超能效超高速计算机，超高速是指目前速度的一千倍，超能效是指仅使用目前百分之一的能耗。

来源：《揭秘未来100大潜力新材料（2019年版）》_新材料在线

6. 燃料电池主要核心部件是

燃料电池实际上是一个化学反应器，它把燃料同氧化剂反应的化学能直接转化为电能。它没有传统发电装置上的原动机驱动发电装置，也没有直接的燃烧过程。燃料和氧化剂从外部不断输入，它就能不断地输出电能。它的反应物通常是氢和氧等燃料，它的副产品一般是无害的水和二氧化碳。燃料电池的工作不只靠电池本身，还需要燃料和氧化剂供应及反应产物排放等子系统与电池堆一起构成完整的燃料电池系统。

一、电极

实际应用的燃料电池，需要有足够高的电流密度，因而应提高电极反应的速率。燃料电池中的反应发生在电极表面(严格说是电极、气体和电解质组成的三相界面)上，氢气在阳极发生电极反应，产生的电子和质子分别通过外电路和电解质到达阴极，并在阴极与氧气反应生成水。电子经过外电路时输出了电能。

影响电极反应速率的主要因素是催化活性和电极表面积。燃料电池的电极不是简单的固体电极，而是所谓的多孔电极。多孔的表面积是电极几何面积的102一108倍。电极的催化活性对于低温燃料电池尤为重要，因为电极反应在低温时的速率很低。

另外燃料电池的电极还要求导电性好，耐高温和耐腐蚀。

二、电解质

燃料电池中电解质的主要作用是提供电极反应所需的离子、导电以及隔离两极的反应物质。与一般电解质不同，燃料电池中的电解质或者本身没有流动性，或者被固定在多孔的基质中。

PEMFC的电解质是固态聚合物膜，允许质子通过，故称为质子交换膜。

AFC的电解质是KOH溶液，根据电池工作温度的不同(50一200cC)，KOH的浓度变化很大(35%一85%)。KOH被吸附在石棉基质中。KOH与COZ反应生成溶解度较低的KzCO，而造成堵塞，反应气体中的CO2需要去除。

PAFC使用接近100%的磷酸为电解质，浸在多孔sic陶瓷中。浓磷酸的热稳定性好，并可以吸收电极反应生成的水蒸气，因而PAFC的水管理简单。

MCFC的电解质是混合碳酸盐(LieCO,-K2CO,)，基质为LiAMO2陶瓷，导电的离子是CO;一。

SOFC的电解质是多孔金属氧化物，即Y2O,稳定的ZrO2，导电的离子是O2一。

三、双极板

阴极、阳极和电解质构成一个单个燃料电池，其工作电压约0.7V。为了获得实际需要的电压，须将几个、几十个甚至几百个燃料电池连接起来，称为电池堆。两个相邻的燃料电池通过一个双极板连接。双极板的一侧与前一个燃料电池的阳极相连，另一侧与后一个燃料电池的阴极连接(故称为双极板)。

双极板的主要作用有3个，即收集燃料电池产生的电流、向电极供应反应气体、阻止两极之间反应物质的渗透。另外，双极板还起到支撑、加固燃料电池的作用。

低温(小于300cC)燃料电池的双极板材料通常是石墨，高温燃料电池的双极板用不锈钢或导电陶瓷制作。不论用何种材料，双极板的设计和制作都是十分关键的。

7. 石墨烯的发展前景

很有发展前景。
石墨烯电池分为两块，一是传统锂电池上，二是利用石墨烯制造颠覆性的“超级电池”
锂电池的强国是日本和韩国，韩国是发明充电16秒的石墨烯超级手机电池。日本则是研究锂电池外，再研究燃料电池技术，这个是涉及到了使用石墨烯材料的催化剂而制成的。

特性（括号里面的是用途）：
超强导电性：电子迁移率是硅的100倍，电阻小于铝、银等金属（集成电路、导电添加剂）
透光率极佳：透光率97.7%（电容屏、太阳能电池板）
超强导热性：导热系数5300W/mk，强于碳纳米管、铜铝等（导热膜、超大规模纳米集成电路散热材料）
面积极大：比普通活性炭高出1130平方米（超级电容、锂电池、传感器）
超强硬度：硬度超过金刚石，断裂度是钢铁的100倍（防弹衣、飞机超轻材料）
除了以上特性外，其衍生出来的氧化石墨烯具有强载体和靶向性，能够用作肿瘤诊断和治疗。

8. 能不能简述下燃料电池材料的发展历程啊有急用，谢了啊。。。

燃料电池在发达国家的研究进展非常迅速。目前，已研制成功11MW、5MW、1MW的示范性磷酸燃料电池，并已经投入运行。由美国西屋公司在97年研制的固体氧化物燃料电池堆，已经成功地在日本东京和大阪两个城市试验完毕。美国国际燃料电池公司生产的PC-25型号的燃料电池最大功率可达200KW，目前已经进入了批量生产阶段。该公司所提供的4.5MW和1MW电池堆已经于98年在日本进行了调试运行。同时，美国政府也十分支持燃料电池的开发，2000年美国预计对燃料电池的开发经费为4000万美元，据报道，2001年度的预算申请额急剧增加到了1亿美元。此外，安装一定功率的燃料电池供电设备，政府还会给予总费用1/2的补贴。由于具有友好的开发环境，许多企业都加入到开发燃料电池的行列之中。我们邻国日本从八十年代起开始研究和开发燃料电池。分别制定了1978年的“月光计划”和1993年启动的“新日光计划”。经过阶段性研究，日本在1981年由东京电力公司研制出了4500KW，接着1989年又推出了11000KW燃料电池装置。1989年的11000KW燃料电池装置，是由美国通用电力和日本东芝合资公司共同开发的IFC，它堪称是世界上最大的磷酸型燃料电池发电厂。
同样，我国在燃料电池开发中进行了许多研究工作。燃料电池在中国的研究起步比较晚，虽然早在上个世纪60年代末，我国科学家就已经开展了对燃料电池的研究。然而，由于种种原因，在七十年代后期许多研究就相继停止了。这导致我国的燃料电池技术与世界先进水平差距较大。进入了九十年代初，由于国外民用燃料电池的迅速发展，我国又兴起了对燃料电池的研究热。我国的质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术研究在“九五”期间被列为国家“九五”计划中重大科技攻关项目之一，在国家自然科学基金会、“863”计划和国家科委等的支持下，目前有一大批高等院校如清华大学、北京科技大学、上海交通大学、武汉大学、华南理工大学等都加入到了燃料电池的基础理论研究中来，大连化物所、天津电源研究所、北京福源公司、上海神力科技有限公司等在PEM燃料电池技术的研究方面都取得了重要成[4]，在“十五”期间，我国的燃料电池技术可望得到突破性进展。通过十几年的不懈努力，在燃料电池技术方面的研究我国已经取得了很大的进展，特别是在PEM燃料电池方面，但由于我们起步比较晚，很多技术仍然处于科研阶段。国家科技部和中国科学院在“九五”中安排了“燃料电池技术”攻关项目，以大连化物所为牵头单位，在全中国开展了PEM燃料电池的电池材料与电池系统的研究。旨在开发具有自主知识产权的燃料电池技术，主攻PEM燃料电池。目前以纯氢为燃料的30kW PEM燃料电池为动力的中巴车，已于2001年1月成功运行，该电池堆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MK7PEM燃料电池电动车的水平。该中巴车是我国第一台真正意义上的燃料电池驱动的电动汽车，拥有自主的知识产权，将对我国的环保、能源及交通等领域产生深远的影响，开辟了绿色动力的新纪元[5]。
综上所述，目前燃料电池技术已处于商业化的前夜，阻碍燃料电池商业化的最大障碍目前有两个：一个是成本，另一个是氢源。国际上正在开发燃料电池批量生产技术，研制新电池材料，进一步降低成本。尽管PEM燃料电池具有高效、环境友好等突出优点，但目前只能在特殊场所应用和试用。若作为商品进入市场，必须大幅度降低成本，使生产者和消费者均能从中获得利益。如作为电动车动力源，PEM燃料电池造价应能与汽油、柴油发动机相比(约50$/kW)，若作为各种便携式动力源，其造价必须与各种化学电源相当。尽管国际上主要汽车公司都正式宣布在2007年实现燃料电池汽车的商业化，但仍在许多问题有待解决，而且有些问题至今没有找到解决的方法，随着研究开发的深入，还必然会产生一些新问题。同时科学家们也在不断开发可用氢的来源，目前可用氢的主要来源有两类：一类是纯氢，其技术已经成熟，但需要建立加氢站；另一类是甲醇或重整制氢，技术还需要进一步完善。专家估计，最早进行商业化的燃料电池汽车在2006—2008年可进入市场。在国内，千瓦级PEM燃料电池方面已基本完成试运行，具备了商业化开发的能力，该技术在国际上也产生了一定的影响。但用于刚刚起步的电汽车，还需要进一步加强研发力量，多完成一些技术上的突破， 使我国的汽车产业在短时间内赶超发达国家水平，保护地球环境的重要性今后将尤为突出，所以21世纪以燃料电池为动力的交通体系有望得以实现，同时可以更好地改善城市中汽车污染严重等问题。

9. 燃料电池分为哪几种

可以按燃料类型分类，或者工作温度分类，但一般都是以电解质的类型来分类的，可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PENFC)五大类。

目前，有5种已知的燃料电池类型。其名称与采用的相应的电解质有关。

（1）碱性燃料电池（AFC）——采用氢氧化钾溶液作为电解液。
这种电解液效率很高（可达60一90％），但对影响纯度的杂质，如二氧化碳很敏感。因而运行中需采用纯态氢气和氧气。这一点限制了将其应用于宇宙飞行及国际工程等领域。
（2）质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。这种电解质具有高功率一重量比和低工作温度。是适用于固定和移动装置的理想材料。
（3）磷酸燃料电池（PAFC）采用200℃高温下的磷酸作为其电解质。很适合用于分散式的热电联产系统。
（4）熔融碳酸燃料电池（MCFC）的工作温度可达650℃。这种电池的效率很高，但材料需求的要求也高。
（5）固志氧燃料电池（SOFC）采用的是固态电解质（钻石氧化物），性能很好。他们需要采用相应的材料和过程处理技术，因为电池的工作温度约为1000℃。