質子交換膜燃料電池

        質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，英文簡稱PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為氫燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。

質子交換膜燃料電池圖解

簡介

        兩電極的反應分別為：

        陽極(負極)：2H2 -> 4H+ + 4e-

        陰極(正極)： O2+4e-+4H+ -> 2H2O

        注意所有的電子e都省略了負號上標。由于質子交換膜只能傳導質子，因此氫質子可直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。當電子通過外電路流向陰極時就產生了直流電。以陽極為參考時，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發電電壓理論上限為1.23V。接有負載時輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5～1V 之間。將多個單電池層疊組合就能構成輸出電壓滿足實際負載需要的燃料電池堆(簡稱電堆)。

電堆構成

        電堆由多個單體電池以串聯方式層疊組合而成。將雙極板與膜電極三合一組件(MEA)交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構成質子交換膜燃料電池電堆，如附圖所示。疊合壓緊時應確保氣體主通道對正以便氫氣和氧氣能順利通達每一單電池。電堆工作時，氫氣和氧氣分別由進口引入，經電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經雙極板導流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學反應。

電堆核心

        電堆的核心是MEA組件和雙極板。MEA是將兩張噴涂有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置于經預處理的質子交換膜兩側，使催化劑靠近質子交換膜，在一定溫度和壓力下模壓制成。雙極板常用石墨板材料制作，具有高密度、高強度，無穿孔性漏氣，在高壓強下無變形，導電、導熱性能優良，與電極相容性好等特點。常用石墨雙極板厚度約2～3.7mm，經銑床加工成具有一定形狀的導流流體槽及流體通道，其流道設計和加工工藝與電池性能密切相關。

優點

        質子交換膜燃料電池具有如下優點：其發電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環的限制，能量轉換率高；發電時不產生污染，發電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪音。所以，質子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環保電源。

        通常，質子交換膜燃料電池的運行需要一系列輔助設備與之共同構成發電系統。質子交換膜燃料電池發電系統由電堆、氫氧供應系統、水熱管理系統、電能變換系統和控制系統等構成。電堆是發電系統的核心。發電系統運行時，反應氣體氫氣和氧氣分別通過調壓閥、加濕器(加濕、升溫)后進入電堆，發生反應產生直流電，經穩壓、變換后供給負載。電堆工作時，氫氣和氧氣反應產生的水由陰極過量的氧氣(空氣)流帶出。未反應的(過量的)氫氣和氧氣流出電堆后，經汽水分離器除水，可經過循環泵重新進入電堆循環使用，在開放空間也可以直接排放到空氣中。

水、熱管理

        水、熱管理是質子交換膜燃料電池 發電系統的重要環節之一。電堆運行時，質子交換膜需要保持一定的濕度，反應生成的水需要排除。不同形態的水的遷移、傳輸、生成、凝結對電堆的穩定運行都有很大影響，這就產生了質子交換膜燃料電池 發電系統的水、熱管理問題。通常情況下，電堆均需使用復雜的純水增濕輔助系統用于增濕質子交換膜，以免電極“干死”(質子交換膜傳導質子能力下降，甚至損壞)；同時又必須及時將生成的水排出，以防電極“淹死”。由于質子交換膜燃料電池的運行溫度一般在80℃左右，此時其運行效能最好，因此反應氣體進入電堆前需要預加熱，這一過程通常與氣體的加濕過程同時進行；電堆發電時產生的熱量將使電堆溫度升高，必須采取適當的冷卻措施，以保持質子交換膜燃料電池電堆工作溫度穩定。這些通常用熱交換器與純水增濕裝置進行調節，并用計算機進行協調控制。

機電一體化集成

        為了確保質子交換膜燃料電池電堆的正常工作，通常將電堆、氫氣和氧氣處理系統、水熱管理系統及相應的控制系統進行機電一體化集成，構成質子交換膜燃料電池發電機。根據不同負載和環境條件，配置氫氣和氧氣存儲系統、余熱處理系統和電力變換系統，并進行機電一體化集成就可構成質子交換膜燃料電池發電站。

        通常，質子交換膜燃料電池發電站由質子交換膜燃料電池發電機和氫氣生產與儲存裝置、空氣供應保障系統、氫氣安全監控與排放裝置、冷卻水罐和余熱處理系統、電氣系統及電站自動控制系統構成。

        氫氣存儲裝置為發電機提供氫氣，其儲量按負荷所需發電量確定。氫氣存儲方式有氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫，相應的儲氫材料也有多種，主要按電站所處環境條件及技術經濟指標來決定。氫氣存儲是建設質子交換膜燃料電池發電站的關鍵問題之一，儲氫方式、儲氫材料選擇關系整個電站的安全性和經濟性。空氣供應保障系統對地面開放空間的質子交換膜燃料電池應用(如燃料電池電動車)不成問題，但對地下工程或封閉空間的應用來說卻是一個十分重要的問題，如何設置進氣通道必須進行嚴格的論證。氫氣安全監控與排放裝置是氫能發電站的一個特有問題，由于氫氣是最輕的易燃易爆氣體，氫氣儲存裝置、輸送管道、閥門管件、質子交換膜燃料電池電堆以及電堆運行的定時排空都可能引起氫氣泄漏，為防止電站空間集聚氫氣的濃度超過爆炸極限，必須實時檢測、報警并進行排放消除處理。氫氣安全監控與排放消除裝置由氫氣敏感傳感器、監控報警器及排放風機、管道和消氫器等組成，傳感器必須安裝在電站空間的最高處。冷卻水箱或余熱處理系統是吸收或處理質子交換膜燃料電池發電機運行產生的熱量，保障電站環境不超溫。將質子交換膜燃料電池發電站的余熱進行再利用，如用于工程除濕、空調、采暖或洗消等，實現電熱聯產聯供，可大大提高燃料利用效率，具有極好的發展與應用前景。電氣系統根據工程整體供電方式和結構對質子交換膜燃料電池發電機發出電力進行處理后與電網并聯運行或/和直接向負載供電，涉及潮流、開關設備、表盤和繼電保護等。采用質子交換膜燃料電池發電站可以實現工程應急電網的多電源分布式供電方式，因此其電氣及變配電系統是一個值得深入研究的問題。電站自動化系統是為保障質子交換膜燃料電池發電站正常工作、可靠運行而設置的基于計算機參數檢測與協調控制的自動裝置，一般應采用分布式控制系統(DCS)或現場總線控制系統(FCS)。主要設備包括現場智能儀表或傳感器、變送器，通訊總線和控制器，并提供向工程控制中心聯網通訊的接口。主要功能包括參數檢測、顯示、報警，歷史數據存儲，故障診斷，事故追憶，操作指導，控制保護輸出和數據信息管理等，是質子交換膜燃料電池 電站信息化、智能化的核心。

應用前景

        質子交換膜燃料電池發電作為新一代發電技術，其廣闊的應用前景可與計算機技術相媲美。經過多年的基礎研究與應用開發，質子交換膜燃料電池用作汽車動力的研究已取得實質性進展，微型質子交換膜燃料電池便攜電源和小型質子交換膜燃料電池移動電源已達到產品化程度，中、大功率質子交換膜燃料電池發電系統的研究也取得了一定成果。由于質子交換膜燃料電池發電系統有望成為移動裝備電源和重要建筑物備用電源的主要發展方向，因此有許多問題需要進行深入的研究。就備用氫能發電系統而言，除質子交換膜燃料電池單電池、電堆質量、效率和可靠性等基礎研究外，其應用研究主要包括適應各種環境需要的發電機集成制造技術， 質子交換膜燃料電池發電機電氣輸出補償與電力變換技術，質子交換膜燃料電池發電機并聯運行與控制技術，備用氫能發電站制氫與儲氫技術，適應環境要求的空氣(氧氣)供應技術，氫氣安全監控與排放技術，氫能發電站基礎自動化設備與控制系統開發，建筑物采用質子交換膜燃料電池氫能發電電熱聯產聯供系統，以及質子交換膜燃料電池氫能發電站建設技術等等。采用質子交換膜燃料電池氫能發電將大大提高重要裝備及建筑電氣系統的供電可靠性，使重要建筑物以市電和備用集中柴油電站供電的方式向市電與中、小型質子交換膜燃料電池發電裝置、太陽能發電、風力發電等分散電源聯網備用供電的靈活發供電系統轉變，極大地提高建筑物的智能化程度、節能水平和環保效益。

作用

        質子交換膜燃料電池具有工作溫度低、啟動快、比功率高、結構簡單、操作方便等優點，被公認為電動汽車、固定發電站等的首選能源。在燃料電池內部，質子交換膜為質子的遷移和輸送提供通道，使得質子經過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉移構成回路，向外界提供電流，因此質子交換膜的性能對燃料電池的性能起著非常重要的作用，它的好壞直接影響電池的使用壽命。

質子交換膜

        迄今最常用的質子交換膜（PEMFC）仍然是美國杜邦公司的Nafion質子交換膜，具有質子電導率高和化學穩定性好的優點，PEMFC大多采用Nafion質子交換等全氟磺酸膜，國內裝配PEMFC所用的PEM主要依靠進口。

        但Nafion質子交換類膜仍存在下述缺點：

                (1)制作困難、成本高，全氟物質的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導致成本較高；

                (2)對溫度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作溫度為70～90℃，超過此溫度會使其含水量急劇降低，導電性迅速下降，阻礙了通過適當提高工作溫度來提高電極反應速度和克服催化劑中毒的難題；(3)某些碳氫化合物，如甲醇等，滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的質子交換膜。

        Nafion膜的價格在600美元每平方米左右，相當于120美元每千瓦（單位電池電壓為0.65V）。在燃料電池系統中，膜的成本幾乎占總成本的20%~30%。為盡早實現燃料電池的商業化應用，降低質子交換膜的價格迫在眉睫。加拿大的巴拉德公司在質子交換膜領域做了后來居上的工作，使人們看到了交換膜商業化的希望。據研究計劃報道，其第三代質子交換膜BAM3G，是部分氟化的磺酸型質子交換膜，演示壽命已經超過4500h，其價格已經降到50美元每立方米，這相當于10美元每千瓦（單位電池電壓為0.65V）。

        全球最大質子交換膜燃料電池示范電站在華南理工建成

        作為電動汽車的一種，燃料電池汽車被認為是人類解決汽車污染問題以及汽車對石油依賴的最佳和最終方案。這是由于燃料電池的化學反應過程不會產生有害物質，僅排放少量水蒸氣，同時其能量轉換效率比內燃機高2~3倍。裝有這種電池的汽車只需像加油一樣加注氫氣，便可繼續行駛。

        除應用于汽車，燃料電池在交通、軍事、通訊等領域均具有廣闊的應用前景。發達國家均投入巨大的人力物力從事這一技術的研發，國內從事燃料電池的研究單位也多達30多家。