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(jiǎn)稱(chēng)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(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)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(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽(yáng)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(jiǎn)介

        兩電極的反應(yīng)分別為：

        陽(yáng)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(hào)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(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過(guò)外電路才能到達(dá)陰極。當(dāng)電子通過(guò)外電路流向陰極時(shí)就產(chǎn)生了直流電。以陽(yáng)極為參考時(shí)，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(shí)輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5～1V 之間。將多個(gè)單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實(shí)際負(fù)載需要的燃料電池堆(簡(jiǎn)稱(chēng)電堆)。

電堆構(gòu)成

        電堆由多個(gè)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(shí)應(yīng)確保氣體主通道對(duì)正以便氫氣和氧氣能順利通達(dá)每一單電池。電堆工作時(shí)，氫氣和氧氣分別由進(jìn)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(guò)電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)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(qiáng)度，無(wú)穿孔性漏氣，在高壓強(qiáng)下無(wú)變形，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，與電極相容性好等特點(diǎn)。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(jì)和加工工藝與電池性能密切相關(guān)。

優(yōu)點(diǎn)

        質(zhì)子交換膜燃料電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：其發(fā)電過(guò)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(shí)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(shí)也沒(méi)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(yùn)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(yùn)行時(shí)，反應(yīng)氣體氫氣和氧氣分別通過(guò)調(diào)壓閥、加濕器(加濕、升溫)后進(jìn)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(shí)，氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的水由陰極過(guò)量的氧氣(空氣)流帶出。未反應(yīng)的(過(guò)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(guò)循環(huán)泵重新進(jìn)入電堆循環(huán)使用，在開(kāi)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(yùn)行時(shí)，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(duì)電堆的穩(wěn)定運(yùn)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(wèn)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(shí)又必須及時(shí)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(yùn)行溫度一般在80℃左右，此時(shí)其運(yùn)行效能最好，因此反應(yīng)氣體進(jìn)入電堆前需要預(yù)加熱，這一過(guò)程通常與氣體的加濕過(guò)程同時(shí)進(jìn)行；電堆發(fā)電時(shí)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(jìn)行調(diào)節(jié)，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

機(jī)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(jìn)行機(jī)電一體化集成，構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機(jī)。根據(jù)不同負(fù)載和環(huán)境條件，配置氫氣和氧氣存儲(chǔ)系統(tǒng)、余熱處理系統(tǒng)和電力變換系統(tǒng)，并進(jìn)行機(jī)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(jī)和氫氣生產(chǎn)與儲(chǔ)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(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成。

        氫氣存儲(chǔ)裝置為發(fā)電機(jī)提供氫氣，其儲(chǔ)量按負(fù)荷所需發(fā)電量確定。氫氣存儲(chǔ)方式有氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫，相應(yīng)的儲(chǔ)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(jì)指標(biāo)來(lái)決定。氫氣存儲(chǔ)是建設(shè)質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電站的關(guān)鍵問(wèn)題之一，儲(chǔ)氫方式、儲(chǔ)氫材料選擇關(guān)系整個(gè)電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性。空氣供應(yīng)保障系統(tǒng)對(duì)地面開(kāi)放空間的質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用(如燃料電池電動(dòng)車(chē))不成問(wèn)題，但對(duì)地下工程或封閉空間的應(yīng)用來(lái)說(shuō)卻是一個(gè)十分重要的問(wèn)題，如何設(shè)置進(jìn)氣通道必須進(jìn)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(gè)特有問(wèn)題，由于氫氣是最輕的易燃易爆氣體，氫氣儲(chǔ)存裝置、輸送管道、閥門(mén)管件、質(zhì)子交換膜燃料電池電堆以及電堆運(yùn)行的定時(shí)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(guò)爆炸極限，必須實(shí)時(shí)檢測(cè)、報(bào)警并進(jìn)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(bào)警器及排放風(fēng)機(jī)、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(jī)運(yùn)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(jìn)行再利用，如用于工程除濕、空調(diào)、采暖或洗消等，實(shí)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(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機(jī)發(fā)出電力進(jìn)行處理后與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行或/和直接向負(fù)載供電，涉及潮流、開(kāi)關(guān)設(shè)備、表盤(pán)和繼電保護(hù)等。采用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電站可以實(shí)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(gè)值得深入研究的問(wèn)題。電站自動(dòng)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(yùn)行而設(shè)置的基于計(jì)算機(jī)參數(shù)檢測(cè)與協(xié)調(diào)控制的自動(dòng)裝置，一般應(yīng)采用分布式控制系統(tǒng)(DCS)或現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)。主要設(shè)備包括現(xiàn)場(chǎng)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(cè)、顯示、報(bào)警，歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，故障診斷，事故追憶，操作指導(dǎo)，控制保護(hù)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(jì)算機(jī)技術(shù)相媲美。經(jīng)過(guò)多年的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)，質(zhì)子交換膜燃料電池用作汽車(chē)動(dòng)力的研究已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)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(dòng)電源已達(dá)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(dòng)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(wèn)題需要進(jìn)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(jī)集成制造技術(shù)， 質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機(jī)電氣輸出補(bǔ)償與電力變換技術(shù)，質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行與控制技術(shù)，備用氫能發(fā)電站制氫與儲(chǔ)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(dòng)化設(shè)備與控制系統(tǒng)開(kāi)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(yáng)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(dòng)快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)、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(guò)膜從陽(yáng)極到達(dá)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(duì)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(guó)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(diǎn)，PEMFC大多采用Nafion質(zhì)子交換等全氟磺酸膜，國(guó)內(nèi)裝配PEMFC所用的PEM主要依靠進(jìn)口。

        但Nafion質(zhì)子交換類(lèi)膜仍存在下述缺點(diǎn)：

                (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(guò)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(duì)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(guò)此溫度會(huì)使其含水量急劇降低，導(dǎo)電性迅速下降，阻礙了通過(guò)適當(dāng)提高工作溫度來(lái)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(jià)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(shí)現(xiàn)燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用，降低質(zhì)子交換膜的價(jià)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(lái)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(jì)劃報(bào)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(guò)4500h，其價(jià)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(dòng)汽車(chē)的一種，燃料電池汽車(chē)被認(rèn)為是人類(lèi)解決汽車(chē)污染問(wèn)題以及汽車(chē)對(duì)石油依賴(lài)的最佳和最終方案。這是由于燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，僅排放少量水蒸氣，同時(shí)其能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)高2~3倍。裝有這種電池的汽車(chē)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(chē)，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(dá)國(guó)家均投入巨大的人力物力從事這一技術(shù)的研發(fā)，國(guó)內(nèi)從事燃料電池的研究單位也多達(dá)30多家。