公用設(shè)備工程師

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作者：黃瑜

摘要：介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的結(jié)構(gòu)、原理、特點(diǎn)及應(yīng)用情況，重點(diǎn)闡述了PEMFC的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上探討了PEMFC的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；雙極板；電極；催化劑

1 質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)及原理

按照電解質(zhì)的不同可將燃料電池分為磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等五類。PEMFC單電池由質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散電極、雙極板等構(gòu)成，圖1是其結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。

PEMFC的基本工作過(guò)程如下：

（1）氫氣通過(guò)雙極板上的導(dǎo)氣通道到達(dá)電池的陽(yáng)極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子；

（2）氫離子以水合質(zhì)子H＋（xH2O）的形式通過(guò)電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，電子在陽(yáng)極側(cè)積累；

（3）氧氣通過(guò)雙極板到達(dá)陰極后，氧分子在催化劑的作用下變成氧離子，陰、陽(yáng)極間形成一個(gè)電勢(shì)差；

（4）陽(yáng)極和陰極通過(guò)外電路連接起來(lái)，在陽(yáng)極積聚的電子就會(huì)通過(guò)外電路到達(dá)陰極，形成電流，對(duì)負(fù)載做功。同時(shí)，在陰極側(cè)反應(yīng)生成水；

（5）只要持續(xù)不斷地提供反應(yīng)氣體，PEMFC就可以連續(xù)工作，對(duì)外提供電能。

2 質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)

（1）高效率。PEMFC以電化學(xué)方式進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，不存在燃燒過(guò)程，不受卡諾循環(huán)限制，其理論熱效率可達(dá)85－90%，目前的實(shí)際效率大約是內(nèi)燃機(jī)的兩倍。傳統(tǒng)動(dòng)力源為了提高效率必須將負(fù)荷限制在很小范圍內(nèi)，而PEMFC幾乎在全部負(fù)荷范圍內(nèi)均有很高效率。

（2）模塊化。PEMFC在結(jié)構(gòu)上具有模塊化的特點(diǎn)，可根據(jù)不同動(dòng)力需求組合安裝，采用“搭積木”式的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)化了不同規(guī)模電堆的設(shè)計(jì)制造過(guò)程。

（3）高可靠性。由于PEMFC電堆采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)。一旦某個(gè)單電池發(fā)生故障，可自動(dòng)采取適當(dāng)屏蔽措施，只會(huì)使系統(tǒng)輸出功率略有下降，而不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的癱瘓。

（4）燃料多樣性。PEMFC動(dòng)力系統(tǒng)既可以純氫為燃料，也可以重整氣為燃料。氫氣的來(lái)源可以是電解水的產(chǎn)物，也可以是對(duì)汽油、柴油、二甲醚等化石類燃料重整的產(chǎn)物。氫氣的存儲(chǔ)方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。

（5）環(huán)境友好。當(dāng)采用純氫為燃料時(shí)，PEMFC的唯一產(chǎn)物是水，可以做到零排放。以重整氣為燃料時(shí)，相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言，排放也極大降低。此外，PEMFC噪聲水平也很低，各結(jié)構(gòu)部件均可回收利用。

3 研究現(xiàn)狀

3．1 關(guān)鍵部件

電解質(zhì)膜、雙極板、催化劑及氣體擴(kuò)散電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的四大關(guān)鍵部件。

電解質(zhì)膜是PEMFC的核心部件，它直接影響燃料電池的性能與壽命。1962年美國(guó)杜邦公司研制成功全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，1966年開(kāi)始用于燃料電池，其商業(yè)型號(hào)為Nafion，至今仍廣泛使用。但由于Nafion膜成本較高，各國(guó)科學(xué)家正在研究部分氟化或非氟質(zhì)子交換膜。

雙極板在PEMFC中起著支撐、集流、分割氧化劑與還原劑并引導(dǎo)氣體在電池內(nèi)電極表面流動(dòng)的作用，目前廣泛采用的是以石墨為材料，在其上加工出引導(dǎo)氣體流動(dòng)的流場(chǎng)，基本流場(chǎng)形式有蛇形、平行、交指及網(wǎng)格狀等。

鉑基催化劑是目前性能最好的電極催化劑，為提高利用率，鉑以納米級(jí)顆粒形式高分散地?fù)?dān)載到導(dǎo)電、抗腐蝕的擔(dān)體上，目前廣泛采用的擔(dān)體為乙炔炭黑，比表面積約為250m2/g，平均粒徑為30nm。

PEMFC的氣體擴(kuò)散電極由兩層構(gòu)成，一層為起支撐作用的擴(kuò)散層，另一層為電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的場(chǎng)所催化層。擴(kuò)散層一般選用炭材如石墨化炭紙或炭布制備，應(yīng)具備高孔隙率和適宜的孔分布，不產(chǎn)生腐蝕或降解。根據(jù)制備工藝和厚度不同，催化層分為厚層憎水、薄層親水及超薄三種類型。

3．2 測(cè)控系統(tǒng)

PEMFC的工作性能受多種因素（溫度、壓力等）的影響，為確保PEMFC正常運(yùn)行，提高其可靠性和有效性，就必須監(jiān)測(cè)各個(gè)影響因素。即運(yùn)用有效的措施來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)PEMFC運(yùn)行的關(guān)鍵或重要狀態(tài)，并對(duì)收集到的信息進(jìn)行必要的分析和處理，以便做到故障預(yù)測(cè)和及時(shí)診斷，為PEMFC管理系統(tǒng)提供依據(jù)。目前，進(jìn)行PEMFC測(cè)試系統(tǒng)相關(guān)方面研究的公司和機(jī)構(gòu)眾多，但仍沒(méi)有制定出有關(guān)PEMFC測(cè)試的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備，不過(guò)已有實(shí)用的測(cè)試系統(tǒng)投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料電池測(cè)試站（FCATS）、美國(guó)Arbin公司的集成燃料電池測(cè)試系統(tǒng)（FCTS）是其中的突出代表。

4 質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用

質(zhì)子交換膜燃料電池是目前各種燃料電池中實(shí)用程度較高的一類。其優(yōu)越性不僅限于能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低，還體現(xiàn)在其可在較大的電流密度下工作，適宜于較頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合。因此世界各大汽車生產(chǎn)廠商一致看好其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用前景，PEMFC已成為現(xiàn)今燃料電池汽車動(dòng)力的主要發(fā)展方向。目前，通用、豐田等世界上知名的汽車公司，都在積極開(kāi)發(fā)以PEMFC系統(tǒng)為動(dòng)力源的PEMFC電動(dòng)車，曾先后推出各種類型的樣車，并進(jìn)行PEMFC電動(dòng)車隊(duì)的示范運(yùn)行。PEMFC電動(dòng)車以其優(yōu)異的性能和環(huán)境污染很少等突出特點(diǎn)引起了人們的普遍關(guān)注，甚至被認(rèn)為將是21世紀(jì)內(nèi)燃機(jī)汽車最為有力的競(jìng)爭(zhēng)者。

此外，在航空航天特別是無(wú)人飛行器領(lǐng)域，以及家庭電源、分散電站、移動(dòng)電子設(shè)備電源、水下機(jī)器人及潛艇不依賴空氣推進(jìn)電源等方面也有廣泛應(yīng)用前景。

5 質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展趨勢(shì)

在關(guān)鍵部件方面，圍繞電解質(zhì)膜、催化劑及雙極板的研究方興未艾。全氟型磺酸膜價(jià)格昂貴，開(kāi)發(fā)非全氟的廉價(jià)質(zhì)子交換膜是今后的研究方向。近年來(lái)，新型質(zhì)子交換膜的的研究熱點(diǎn)是開(kāi)發(fā)能夠在100℃以上使用的高溫電解質(zhì)膜。在催化劑方面，研制高性能抗CO中毒電極催化劑是最緊迫的任務(wù)，此外，還要尋找非貴金屬氮化物或碳化物作為現(xiàn)有鉑催化劑的替代。目前廣泛使用的石墨板具有較好的耐腐蝕能力和較高的熱導(dǎo)率，但成本較高，加工難度大，強(qiáng)度、電導(dǎo)率和可回收性均不如金屬板。金屬板目前急需解決的問(wèn)題是表面處理，以提高其耐腐蝕能力。復(fù)合材料雙極板則結(jié)合了純石墨板和金屬板的優(yōu)點(diǎn)，具有耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度大及工藝性良好等特點(diǎn)，是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

在電堆方面，今后的研究重點(diǎn)將是使電堆中的電池單元的性能接近于單電池的性能，這就需要對(duì)電堆的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證電堆中每一片電池單元的整個(gè)活性面積處于一致的操作環(huán)境，并優(yōu)化水、熱管理，改善電流密度分布的均勻性。

參考文獻(xiàn)

［1］李興虎．電動(dòng)汽車概論［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2005：9－22．

［2］黃敏．質(zhì)子交換膜燃料電池堆電氣性能試驗(yàn)研究［J］．電源技術(shù)，2007，31（5）：361－363．

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（責(zé)任編輯：中大編輯）

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