質(zhì)子交換膜燃料電池

        質(zhì)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(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)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(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時相當(dāng)于一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。

質(zhì)子交換膜燃料電池圖解

簡介

        兩電極的反應(yīng)分別為：

        陽極(負(fù)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(fù)號上標(biāo)。由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過質(zhì)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(dāng)電子通過外電路流向陰極時就產(chǎn)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(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負(fù)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(gòu)成輸出電壓滿足實際負(fù)載需要的燃料電池堆(簡稱電堆)。

電堆構(gòu)成

        電堆由多個單體電池以串聯(lián)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(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，如附圖所示。疊合壓緊時應(yīng)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(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)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(xué)反應(yīng)。

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(jīng)預(yù)處理的質(zhì)子交換膜兩側(cè)，使催化劑靠近質(zhì)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(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)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(jīng)銑床加工成具有一定形狀的導(dǎo)流流體槽及流體通道，其流道設(shè)計和加工工藝與電池性能密切相關(guān)。

優(yōu)點

        質(zhì)子交換膜燃料電池具有如下優(yōu)點：其發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換率高；發(fā)電時不產(chǎn)生污染，發(fā)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(zhì)子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。

        通常，質(zhì)子交換膜燃料電池的運行需要一系列輔助設(shè)備與之共同構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)。質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)由電堆、氫氧供應(yīng)系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、電能變換系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等構(gòu)成。電堆是發(fā)電系統(tǒng)的核心。發(fā)電系統(tǒng)運行時，反應(yīng)氣體氫氣和氧氣分別通過調(diào)壓閥、加濕器(加濕、升溫)后進入電堆，發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生直流電，經(jīng)穩(wěn)壓、變換后供給負(fù)載。電堆工作時，氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的水由陰極過量的氧氣(空氣)流帶出。未反應(yīng)的(過量的)氫氣和氧氣流出電堆后，經(jīng)汽水分離器除水，可經(jīng)過循環(huán)泵重新進入電堆循環(huán)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(zhì)子交換膜燃料電池 發(fā)電系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一。電堆運行時，質(zhì)子交換膜需要保持一定的濕度，反應(yīng)生成的水需要排除。不同形態(tài)的水的遷移、傳輸、生成、凝結(jié)對電堆的穩(wěn)定運行都有很大影響，這就產(chǎn)生了質(zhì)子交換膜燃料電池 發(fā)電系統(tǒng)的水、熱管理問題。通常情況下，電堆均需使用復(fù)雜的純水增濕輔助系統(tǒng)用于增濕質(zhì)子交換膜，以免電極“干死”(質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)質(zhì)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(zhì)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(yīng)氣體進入電堆前需要預(yù)加熱，這一過程通常與氣體的加濕過程同時進行；電堆發(fā)電時產(chǎn)生的熱量將使電堆溫度升高，必須采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施，以保持質(zhì)子交換膜燃料電池電堆工作溫度穩(wěn)定。這些通常用熱交換器與純水增濕裝置進行調(diào)節(jié)，并用計算機進行協(xié)調(diào)控制。

機電一體化集成

        為了確保質(zhì)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(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)進行機電一體化集成，構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機。根據(jù)不同負(fù)載和環(huán)境條件，配置氫氣和氧氣存儲系統(tǒng)、余熱處理系統(tǒng)和電力變換系統(tǒng)，并進行機電一體化集成就可構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電站。

        通常，質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電站由質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機和氫氣生產(chǎn)與儲存裝置、空氣供應(yīng)保障系統(tǒng)、氫氣安全監(jiān)控與排放裝置、冷卻水罐和余熱處理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及電站自動控制系統(tǒng)構(gòu)成。

        氫氣存儲裝置為發(fā)電機提供氫氣，其儲量按負(fù)荷所需發(fā)電量確定。氫氣存儲方式有氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫，相應(yīng)的儲氫材料也有多種，主要按電站所處環(huán)境條件及技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)來決定。氫氣存儲是建設(shè)質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電站的關(guān)鍵問題之一，儲氫方式、儲氫材料選擇關(guān)系整個電站的安全性和經(jīng)濟性。空氣供應(yīng)保障系統(tǒng)對地面開放空間的質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)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(yīng)用來說卻是一個十分重要的問題，如何設(shè)置進氣通道必須進行嚴(yán)格的論證。氫氣安全監(jiān)控與排放裝置是氫能發(fā)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(zhì)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(jiān)控與排放消除裝置由氫氣敏感傳感器、監(jiān)控報警器及排放風(fēng)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(tǒng)是吸收或處理質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機運行產(chǎn)生的熱量，保障電站環(huán)境不超溫。將質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電站的余熱進行再利用，如用于工程除濕、空調(diào)、采暖或洗消等，實現(xiàn)電熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供，可大大提高燃料利用效率，具有極好的發(fā)展與應(yīng)用前景。電氣系統(tǒng)根據(jù)工程整體供電方式和結(jié)構(gòu)對質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機發(fā)出電力進行處理后與電網(wǎng)并聯(lián)運行或/和直接向負(fù)載供電，涉及潮流、開關(guān)設(shè)備、表盤和繼電保護等。采用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電站可以實現(xiàn)工程應(yīng)急電網(wǎng)的多電源分布式供電方式，因此其電氣及變配電系統(tǒng)是一個值得深入研究的問題。電站自動化系統(tǒng)是為保障質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電站正常工作、可靠運行而設(shè)置的基于計算機參數(shù)檢測與協(xié)調(diào)控制的自動裝置，一般應(yīng)采用分布式控制系統(tǒng)(DCS)或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。主要設(shè)備包括現(xiàn)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(lián)網(wǎng)通訊的接口。主要功能包括參數(shù)檢測、顯示、報警，歷史數(shù)據(jù)存儲，故障診斷，事故追憶，操作指導(dǎo)，控制保護輸出和數(shù)據(jù)信息管理等，是質(zhì)子交換膜燃料電池 電站信息化、智能化的核心。

應(yīng)用前景

        質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電作為新一代發(fā)電技術(shù)，其廣闊的應(yīng)用前景可與計算機技術(shù)相媲美。經(jīng)過多年的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)，質(zhì)子交換膜燃料電池用作汽車動力的研究已取得實質(zhì)性進展，微型質(zhì)子交換膜燃料電池便攜電源和小型質(zhì)子交換膜燃料電池移動電源已達到產(chǎn)品化程度，中、大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的研究也取得了一定成果。由于質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)有望成為移動裝備電源和重要建筑物備用電源的主要發(fā)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(fā)電系統(tǒng)而言，除質(zhì)子交換膜燃料電池單電池、電堆質(zhì)量、效率和可靠性等基礎(chǔ)研究外，其應(yīng)用研究主要包括適應(yīng)各種環(huán)境需要的發(fā)電機集成制造技術(shù)， 質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機電氣輸出補償與電力變換技術(shù)，質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機并聯(lián)運行與控制技術(shù)，備用氫能發(fā)電站制氫與儲氫技術(shù)，適應(yīng)環(huán)境要求的空氣(氧氣)供應(yīng)技術(shù)，氫氣安全監(jiān)控與排放技術(shù)，氫能發(fā)電站基礎(chǔ)自動化設(shè)備與控制系統(tǒng)開發(fā)，建筑物采用質(zhì)子交換膜燃料電池氫能發(fā)電電熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供系統(tǒng)，以及質(zhì)子交換膜燃料電池氫能發(fā)電站建設(shè)技術(shù)等等。采用質(zhì)子交換膜燃料電池氫能發(fā)電將大大提高重要裝備及建筑電氣系統(tǒng)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(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電裝置、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分散電源聯(lián)網(wǎng)備用供電的靈活發(fā)供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，極大地提高建筑物的智能化程度、節(jié)能水平和環(huán)保效益。

作用

        質(zhì)子交換膜燃料電池具有工作溫度低、啟動快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)點，被公認(rèn)為電動汽車、固定發(fā)電站等的首選能源。在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使得質(zhì)子經(jīng)過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉(zhuǎn)移構(gòu)成回路，向外界提供電流，因此質(zhì)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(zhì)子交換膜

        迄今最常用的質(zhì)子交換膜（PEMFC）仍然是美國杜邦公司的Nafion質(zhì)子交換膜，具有質(zhì)子電導(dǎo)率高和化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點，PEMFC大多采用Nafion質(zhì)子交換等全氟磺酸膜，國內(nèi)裝配PEMFC所用的PEM主要依靠進口。

        但Nafion質(zhì)子交換類膜仍存在下述缺點：

                (1)制作困難、成本高，全氟物質(zhì)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(dǎo)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(dǎo)電性迅速下降，阻礙了通過適當(dāng)提高工作溫度來提高電極反應(yīng)速度和克服催化劑中毒的難題；(3)某些碳?xì)浠�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(zhì)子交換膜。

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

        全球最大質(zhì)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(rèn)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(xué)反應(yīng)過程不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，僅排放少量水蒸氣，同時其能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)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(xù)行駛。

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