高分子電解質(zhì)型燃料電池的工作原理及改進(jìn)方法
——評(píng)《圖解化學(xué)電池》

李彩芳

（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467000）

由于不可再生能源的枯竭引發(fā)的環(huán)境污染、全球氣候變暖等問(wèn)題日益嚴(yán)重，可再生能源的重要性不斷提高，其中，高效、清潔、含量豐富的氫能成為能源熱點(diǎn)。化學(xué)電池是靠?jī)?nèi)部的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，并將該電能加以釋放的電源的總稱?；瘜W(xué)電池包括一次電池、二次電池、燃料電池以及特殊電池等4大類。燃料電池可以直接將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，而無(wú)需經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，優(yōu)點(diǎn)是能源效率高、排放接近零、噪音低且可靠性高。燃料電池的最佳燃料是氫，基于可再生能源的氫經(jīng)濟(jì)——包括制氫、儲(chǔ)氫和將氫轉(zhuǎn)化為電能，被廣泛認(rèn)為是有前景的能源解決方案。

《圖解化學(xué)電池》是“名師講科技前沿系列”中的一冊(cè)，內(nèi)容包括化學(xué)電池原理和簡(jiǎn)史、一次電池和二次電池等6章，著重介紹了鋰離子二次電池和燃料電池等內(nèi)容。針對(duì)化學(xué)電池的入門者、制作者、應(yīng)用者、研究開(kāi)發(fā)者和決策者等多方面的需求，本書圖文并茂，全面且簡(jiǎn)明扼要地介紹化學(xué)電池的工作原理、相關(guān)材料、制作工藝、新進(jìn)展、新應(yīng)用及發(fā)展前景等。做到了深入淺出，通俗易懂;層次分明，思路清晰;內(nèi)容豐富，重點(diǎn)突出;選材新穎，強(qiáng)調(diào)應(yīng)用。

1 燃料電池概述與分類

燃料電池作為一種能量轉(zhuǎn)換型發(fā)電裝置，由陽(yáng)極、陰極和電解液等3個(gè)基本單元組成，可以將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。工作時(shí)，燃料在電池的陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生電子和質(zhì)子。質(zhì)子在電池的電解質(zhì)內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)傳輸，同時(shí)，電子通過(guò)外接電路流向陰極，引起氧化劑還原反應(yīng)，整個(gè)閉合電路就此形成，并對(duì)外做功。燃料電池技術(shù)的革命性變化體現(xiàn)在傳統(tǒng)的電解質(zhì)溶液被固體聚合物電解質(zhì)所取代。除了傳統(tǒng)燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)外，使用聚合物電解質(zhì)隔膜能夠有效地避免電解質(zhì)泄漏等技術(shù)難點(diǎn)，進(jìn)一步縮小電池體積，并提高電池的比功率和比能量。此類聚合物電解質(zhì)燃料電池可以適應(yīng)低溫工作環(huán)境，能夠在室溫下快速啟動(dòng)，對(duì)負(fù)載變化快速響應(yīng)，因此，很適于在交通、建筑和可移動(dòng)能源等領(lǐng)域使用。

與內(nèi)部?jī)?chǔ)能型二次電池不同，燃料電池的工作方式更像是一種發(fā)電機(jī)。電池外部燃料（如氫氣、甲烷、乙醇等）的不間斷供應(yīng)為它提供持續(xù)的能量來(lái)源。從理論上講，只要燃料和氧氣供應(yīng)充足，燃料電池就可以持續(xù)不斷發(fā)電，而一次電池一旦耗盡反應(yīng)物，就不能提供動(dòng)力。燃料電池的電化學(xué)過(guò)程可以超出卡諾循環(huán)極限，以避免不必要的能量損失，因此具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率（40%～60%），理論上的能量轉(zhuǎn)換效率在80%以上。且當(dāng)燃料為氫氣時(shí)，燃料電池的排出物僅有水，能減少和消除碳氧化物、氮氧化物及硫氧化物等污染的排放。此外，燃料電池柔和安靜的操作過(guò)程，靈活和可調(diào)節(jié)的功率容量，以及廣泛的燃料供應(yīng)來(lái)源，也使其作為一種高效的能源使用形式脫穎而出，受到科學(xué)界和工業(yè)界的高度推崇。

根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為以下幾種:質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC，電解質(zhì)為固體高分子膜）、堿性燃料電池（AFC，電解質(zhì)為氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC，電解質(zhì)為碳酸鋰或碳酸鈉等混合鹽）、固體氧化物燃料電池（SOFC，電解質(zhì)為陶瓷，又稱陶瓷型燃料電池）、陰離子交換膜燃料電池（AEMFC，電解質(zhì)為固體高分子膜）和磷酸燃料電池（PAFC，電解質(zhì)為磷酸水溶液）。

2 高分子電解質(zhì)型燃料電池（PEFC）的工作原理

書中介紹了兩種高分子電解質(zhì)型燃料電池（PEFC），即PEMFC和AFC。PEMFC的電解質(zhì)主要使用的是由美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的全氟磺酸型Nafion膜和加拿大道公司生產(chǎn)的Dow膜。它們的優(yōu)點(diǎn)是使用壽命長(zhǎng)、高度耐腐蝕、質(zhì)子導(dǎo)電性佳，缺點(diǎn)是甲醇透過(guò)系數(shù)高、使用溫度較低（＜100℃），并且價(jià)格昂貴，難以大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用?？茖W(xué)家和工程師都高度重視價(jià)格低、性能優(yōu)的質(zhì)子交換膜的發(fā)展。想要提高PEMFC的功率密度，可以通過(guò)將膜做得很薄來(lái)控制電解質(zhì)的厚度。

目前，PEMFC的水管理是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。如果質(zhì)子交換膜表面干燥，電池的導(dǎo)電性能就會(huì)受到影響而下降，需要對(duì)進(jìn)入電池的氣體提前進(jìn)行加濕處理。電池的工作溫度也不能高于水的沸點(diǎn)，電池反應(yīng)后產(chǎn)生的水需要被及時(shí)排出，否則發(fā)生的水淹現(xiàn)象會(huì)堵塞氣體通道，影響到整個(gè)燃料電池的正常運(yùn)行。通過(guò)對(duì)空氣系統(tǒng)的算法和策略進(jìn)行改進(jìn)，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)變載過(guò)程中計(jì)量比的控制，使每次變載過(guò)程陰極側(cè)有穩(wěn)定的氧氣濃度。通過(guò)協(xié)調(diào)控制電流和陰極流量，使每次變載過(guò)程膜電極保持穩(wěn)定的干濕狀態(tài)，可避免干濕波動(dòng)引起電池壽命衰減。

3 PEFC的改進(jìn)

作為新型清潔能源的代表，PEFC的研究和應(yīng)用被視作未來(lái)發(fā)展的重要前景。這項(xiàng)技術(shù)還難以大規(guī)模商業(yè)化，因?yàn)殡姵氐妮敵龉β屎统浞烹娧h(huán)次數(shù)受到了電池催化劑活性和穩(wěn)定性較低等因素的制約。

典型的PEMFC通常包括膜電極組件（MEA）和雙極板（BP），其中MEA由含微孔層（MPL）的氣體擴(kuò)散層（GDL）、催化層（CL）和質(zhì)子交換膜（PEM）組成。GDL和MPL的未來(lái)發(fā)展應(yīng)側(cè)重于優(yōu)化跨尺度和跨組件傳輸，同時(shí)在結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性控制方面與其他組件的改進(jìn)兼容。對(duì)于CL，催化劑的活性在旋轉(zhuǎn)圓盤電極上足夠大，但在MEA和堆棧級(jí)別，仍需要相當(dāng)大的改進(jìn)?；诜肿优帕械奶驾d體和催化劑/聚合物界面的改性，有望改善離聚物分布和催化劑利用率。有序結(jié)構(gòu)的MEA很有希望應(yīng)用于未來(lái)的PEMFC，因?yàn)樗梢栽诔痛呋瘎┴?fù)載下實(shí)現(xiàn)高功率密度。在接下來(lái)的5～10年中，具有增強(qiáng)耐用性和適應(yīng)性的全氟磺酸（PFSA）基聚合物預(yù)計(jì)將繼續(xù)主導(dǎo)質(zhì)子交換膜市場(chǎng)。BP設(shè)計(jì)的未來(lái)目標(biāo)是解決耐腐蝕性、制造成本和界面接觸電阻問(wèn)題。未來(lái)的超高功率密度操作需要增強(qiáng)物質(zhì)傳輸能力。由于消除界面和減小體積的優(yōu)勢(shì)，集成化的BP-MEA設(shè)計(jì)有望為實(shí)現(xiàn)超高功率密度提供一條有利的途徑?？偠灾岣吖β拭芏?、降低成本和增強(qiáng)耐用性，將直接促進(jìn)PEMFC的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上相互關(guān)聯(lián)，有時(shí)相互制約，在開(kāi)發(fā)不同的燃料電池產(chǎn)品時(shí)應(yīng)綜合考慮。在現(xiàn)有材料框架下，建立精細(xì)可控、易于制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵方向，同時(shí)，新材料的研發(fā)有望產(chǎn)生長(zhǎng)期、深遠(yuǎn)的影響。

PEMFC的陽(yáng)極催化劑一般是碳載鉑（Pt/C），但是因?yàn)镻t對(duì)CO的耐受性較差，在低溫工作條件下，CO會(huì)吸附在Pt上，導(dǎo)致Pt催化劑失活，因此需要采用對(duì)CO耐受度較高的材料或者降低燃料中的CO濃度。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，Pt合金可以解決這方面的問(wèn)題，Pt合金的應(yīng)用還可以提高燃料電池的效率。陰極氧還原反應(yīng)是電池極化的主要來(lái)源，并且動(dòng)力學(xué)過(guò)程相對(duì)較慢，因此需要投入大量的研究。優(yōu)化催化劑的配置，可以優(yōu)化燃料電池陰極催化劑的性能;同時(shí)，PEMFC產(chǎn)生的電流取決于反應(yīng)物通過(guò)電池組件的擴(kuò)散能力。在以往的研究中，GDL和催化劑孔隙率被認(rèn)為是常用參數(shù)。通過(guò)采用ANSYSFLUENT中的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模型，對(duì)燃料電池進(jìn)行數(shù)值模擬，基于Taguchi方法對(duì)單個(gè)電池中GDL層和催化劑層的孔隙率進(jìn)行優(yōu)化，可將電池性能提高12.5%。與催化劑層的孔隙率相比，PEMFC的電流密度較強(qiáng)依賴于GDL孔隙率。電池孔隙率的優(yōu)化增加了膜的含水量，最終提高了電池的電流密度。

PEMFC的兩極一般使用Pt基催化劑，陽(yáng)極的反應(yīng)速率要快于陰極。一般通過(guò)加大Pt的用量來(lái)提高陰極的反應(yīng)速率。在一定程度上而言，陰極氧還原反應(yīng)（ORR）的速率是限制PEMFC反應(yīng)速率的主要因素。Pt是酸性介質(zhì)中的氧還原反應(yīng)的高效催化劑，但是因?yàn)橘Y源有限、生產(chǎn)成本高且穩(wěn)定性差，難以大規(guī)模商業(yè)化。目前對(duì)PEMFC中Pt催化劑的研究，主要包括以下兩個(gè)方面:一個(gè)是通過(guò)進(jìn)一步提高陰極催化劑的催化活性來(lái)降低Pt的含量;另一個(gè)是將膜電極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而最大化膜電極的氣/固/液三相界面，進(jìn)一步減少傳質(zhì)損失，以便提高Pt的利用率。直接甲醇燃料電池（DMFC）燃料存儲(chǔ)方便，能量密度高，并且綠色環(huán)保，因此發(fā)展前景較為理想，同時(shí)也被視為便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車的有效動(dòng)力來(lái)源。

居高不下的成本已成為車用PEMFC商業(yè)化的最大阻礙，其中，用于陰極氧還原反應(yīng)的Pt基貴金屬催化劑的成本占比最高，降低Pt用量是控制燃料電池成本的關(guān)鍵所在。PEMFC正朝著產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的方向快速發(fā)展，膜電極低Pt化是必須邁出的重要一步。

4 結(jié)語(yǔ)

《圖解化學(xué)電池》由清華大學(xué)田民波教授編寫，結(jié)合當(dāng)今科技熱點(diǎn)與前沿，內(nèi)容安排合理，圖文并茂，通過(guò)雙單頁(yè)左文右圖的模式，詳細(xì)介紹了干電池、鋅銀電池、蓄電池和燃料電池等的基本原理，電極和電解液材料，電池的構(gòu)成以及性能評(píng)價(jià)等相關(guān)內(nèi)容，既有科學(xué)價(jià)值，又提高了可讀性。該書在注重實(shí)用性、系統(tǒng)性的同時(shí)，與時(shí)俱進(jìn)，兼顧前瞻，將前沿成果帶到讀者面前。該書可作為化學(xué)、材料、化工、能源及動(dòng)力、機(jī)械、微電子、顯示器、物理、計(jì)算機(jī)和精密儀器等相關(guān)領(lǐng)域的科技、工程技術(shù)人員的參考書籍。

書名:圖解化學(xué)電池

作者:田民波編著

ISBN:9787122336767

出版社:化學(xué)工業(yè)出版社

出版時(shí)間:2019-05-01

定價(jià):￥49.00元