質(zhì)子交換膜燃料電池概述

【摘要】介紹了燃料電池的發(fā)展、工作原理和特點，敘述了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的國內(nèi)外研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了燃料電池存在的問題，總結(jié)了燃料電池發(fā)電技術(shù)在新能源和電力行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】質(zhì)子交換膜；燃料電池；綜述

1.前言

國外能源機(jī)構(gòu)預(yù)測隨著石油、煤炭等自然資源的日趨枯竭，21世紀(jì)將成為氫能的時代。燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒而通過電化學(xué)反應(yīng)直接把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，最大的優(yōu)點是不受熱機(jī)卡諾循環(huán)的限制，CO、CO2、Sv2、NOX及未燃盡的有害物質(zhì)排放量極低。能量轉(zhuǎn)化率高，一般在45%左右，火力發(fā)電僅為30%左右，如果在技術(shù)上加以完善或綜合利用其效率可望達(dá)到60%以上。PEM燃料電池是繼磷酸鹽燃料電池后的第二代燃料電池。由于采用全氟磺酸膜為電解質(zhì)，以純氫或凈化重整氣為燃料，因此具有能量轉(zhuǎn)化率高、低溫啟動、無電解質(zhì)泄露等優(yōu)點，也因此被認(rèn)為是繼火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電之后的第四大能量轉(zhuǎn)化發(fā)電方式，它將在燃料電池電站、電動汽車、移動式電源、潛艇、航空航天技術(shù)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.PEM燃料電池的發(fā)展

20世紀(jì)60年達(dá)初，美國首次將PEM燃料電池用于“雙子星座”Gemini飛船飛行。當(dāng)時，由于電解質(zhì)膜穩(wěn)定性差、電池堆壽命短、貴金屬Pt用量太高，致使PEM燃料電池在空間的應(yīng)用擱置了近20年。

20世紀(jì)80年代，加拿大電力公司在政府的支持下開展研究，使PEM燃料電池的性能價格比大大提高。此后，以美國、加拿大和德國為首的發(fā)達(dá)國家紛紛投入巨資開展PEM燃料電池的研究開發(fā)工作，使得PEM技術(shù)日趨成熟。這期間的研究主要集中在基礎(chǔ)性研究和實用性產(chǎn)品的開發(fā)。近五年來，由于可望成為未來理想的移動電源，尤其適合作為清潔汽車動力，世界各大汽車公司紛紛聯(lián)合開發(fā)車用PEM燃料電池，例如德國的戴姆萊克萊斯勒公司、美國的福特公司和加拿大的巴拉德公司組成聯(lián)盟投資10億加元成立分別控股的巴拉德動力公司DBB公司和依考斯達(dá)公司，分別負(fù)責(zé)開發(fā)燃料電池電動車用燃料電池組電池系統(tǒng)與電推進(jìn)系統(tǒng)。另外，由于軍用潛艇和軍用移動電源隱蔽性的需要，各發(fā)達(dá)國家國防部門及軍方均加緊高性能PEM燃料電池技術(shù)的研究。

國內(nèi)PEM燃料電池的研究熱潮興起于20世紀(jì)90年代，當(dāng)時主要有中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，他們著重于PEM燃料電池的高分子膜、催化劑制備等基礎(chǔ)研究。隨著PEM燃料電池的不斷發(fā)展和廣闊的應(yīng)用前景，除了清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等院校單位外，以北京富源、上海神力為代表的公司也加入了研究行列。同時，有PEM燃料電池電堆用作汽車發(fā)動機(jī)的研究也取得很大的成就，比較突出的有同濟(jì)的“超越”一號、“超越”二號燃料電池混合動力轎車，清華大學(xué)的“清能”一號、“清能”三號燃料電池大巴等?？傊琍EM燃料電池的研究及其應(yīng)用已呈現(xiàn)出百花齊放的趨勢，我國的總體水平已接近世界先進(jìn)發(fā)達(dá)水平。

3.PEM燃料電池的原理

PEM燃料電池的發(fā)電原理與化學(xué)電源一樣，電極提供電子轉(zhuǎn)移的場所，陽極催化燃料如氫的氧化過程，陰極催化氧化劑如氧等的還原過程；導(dǎo)電離子在將陰陽極分開的電解質(zhì)內(nèi)遷移，電子通過外電路作功并構(gòu)成電的回路。但是它的工作方式又與常規(guī)的化學(xué)電源不同，而更類似于汽油、柴油發(fā)電機(jī)。它的燃料和氧化劑不是儲存在電池內(nèi)，而是儲存在電池外的儲罐中。當(dāng)電池發(fā)電時，要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，排出反應(yīng)產(chǎn)物，同時也要排除一定的廢熱，以維護(hù)電池工作溫度的恒定。

在電池中增濕后的氫氣通過雙極板上的氣體通道穿過擴(kuò)散層，到達(dá)陽極催化劑層，并吸附于電催化劑層中，然后在鉑催化劑作用下，發(fā)生反應(yīng)。

隨后，H+進(jìn)入質(zhì)子交換膜，與膜中磺酸基（-SO3H）上的H+發(fā)生交換，使氫離子到達(dá)陰極。與此同時，陰極增濕的氧氣也從雙極板通過陰極擴(kuò)散層，吸附于陰極電催化劑層中，并與交換而來的H+在鉑的催化作用下發(fā)生反應(yīng)。

電極反應(yīng)生成的水大部分由尾氣排出，一部分在壓力差作用下通過膜向陽極擴(kuò)散。

總的反應(yīng)式為：1/2O2+H2→H2O

可見，燃料和氧化劑在PEM燃料電池隔膜的兩側(cè)分別完成半個反應(yīng)的氧化還原反應(yīng)。實際上，它就是一種通過電化學(xué)反應(yīng)直接把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。

4.PEM燃料電池的特點

PEM的研究越來越受到各國的重視，這是因為它具有以下優(yōu)點：

（1）高效節(jié)能。能量轉(zhuǎn)化率高。通過氫氧化合作用，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)40%～60%。

（2）使用固體電解質(zhì)膜，可以避免電解質(zhì)腐蝕。

（3）環(huán)境友好，可實現(xiàn)零排放。其唯一的排放物是純凈水，沒有污染物排放，是環(huán)保型能源。

（4）發(fā)電效率受負(fù)荷變化影響很小，非常適合于用作分散型發(fā)電裝置（作為主機(jī)組），也適于用作電網(wǎng)的“調(diào)峰”發(fā)電機(jī)組（作為輔機(jī)組）。

（5）冷啟動時間短，可在數(shù)秒內(nèi)實現(xiàn)冷啟動。

（6）可靠性強(qiáng)，維護(hù)方便。PEMFC內(nèi)部構(gòu)造簡單，無機(jī)械運動部件，工作時僅有氣體和水的流動。

（7）氫是世界上最多的元素，來源極其廣泛。

但是，PEM燃料電池還存在很多問題，以致于沒能大規(guī)模商業(yè)化。主要缺點：（1）膜的價格高，生產(chǎn)所需技術(shù)高。（2）對CO敏感，需要盡可能降低燃料中CO的濃度，以避免催化劑中毒；（3）催化劑成本較高。由于以貴金屬鉑作為催化劑，因此催化劑成本較高。（4）氫氣的生產(chǎn)、儲存和運輸?shù)燃夹g(shù)目前還達(dá)不到高效、安全、可靠。（5）高溫時壽命及穩(wěn)定性不理想，以及燃料電池技術(shù)還不夠普及。

5.展望

盡管PEMFC具有高效、環(huán)境友好等突出優(yōu)點，但目前只能在特殊場所應(yīng)用和試用。若作為商品進(jìn)入市場，必須大幅度降低成本，使生產(chǎn)者和用戶均能獲利，即若作為電動車動力源，PEMFC造價應(yīng)能與汽車、柴油發(fā)動機(jī)相比，若作為各種便攜式動力源，其造價必須與各種化學(xué)電源相當(dāng)。

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