质子交换膜燃料电池概述

质子交换膜燃料电池概述

【摘要】介绍了燃料电池的发展、工作原理和特点，叙述了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的国内外研究进展和应用现状，分析了燃料电池存在的问题，总结了燃料电池发电技术在新能源和电力行业中的应用现状，并对质子交换膜燃料电池的发展前景进行了展望。

【关键词】质子交换膜；燃料电池；综述

1.前言

国外能源机构预测随着石油、煤炭等自然资源的日趋枯竭，21世纪将成为氢能的时代。燃料电池是一种不经过燃烧而通过电化学反应直接把燃料中的化学能转化为电能的装置。与传统的火力发电相比，最大的优点是不受热机卡诺循环的限制，CO、CO2、Sv2、NOX及未燃尽的有害物质排放量极低。能量转化率高，一般在45%左右，火力发电仅为30%左右，如果在技术上加以完善或综合利用其效率可望达到60%以上。PEM燃料电池是继磷酸盐燃料电池后的第二代燃料电池。由于采用全氟磺酸膜为电解质，以纯氢或净化重整气为燃料，因此具有能量转化率高、低温启动、无电解质泄露等优点，也因此被认为是继火力发电、水力发电、核能发电之后的第四大能量转化发电方式，它将在燃料电池电站、电动汽车、移动式电源、潜艇、航空航天技术等方面具有广阔的应用前景。

2.PEM燃料电池的发展

20世纪60年达初，美国首次将PEM燃料电池用于“双子星座”Gemini飞船飞行。当时，由于电解质膜稳定性差、电池堆寿命短、贵金属Pt用量太高，致使PEM燃料电池在空间的应用搁置了近20年。

20世纪80年代，加拿大电力公司在政府的支持下开展研究，使PEM燃料电池的性能价格比大大提高。此后，以美国、加拿大和德国为首的发达国家纷纷投入巨资开展PEM燃料电池的研究开发工作，使得PEM技术日趋成熟。这期间的研究主要集中在基础性研究和实用性产品的开发。近五年来，由于可望成为未来理想的移动电源，尤其适合作为清洁汽车动力，世界各大汽车公司纷纷联合开发车用PEM燃料电池，例如德国的戴姆莱克莱斯勒公司、美国的福特公司和加拿大的巴拉德公司组成联盟投资10亿加元成立分别控股的巴拉德动力公司DBB公司和依考斯达公司，分别负责开发燃料电池电动车用燃料电池组电池系统与电推进系统。另外，由于军用潜艇和军用移动电源隐蔽性的需要，各发达国家国防部门及军方均加紧高性能PEM燃料电池技术的研究。

国内PEM燃料电池的研究热潮兴起于20世纪90年代，当时主要有中国科学院长春应用化学研究所和中国科学院大连化学物理研究所，他们着重于PEM 燃料电池的高分子膜、催化剂制备等基础研究。随着PEM燃料电池的不断发展和广阔的应用前景，除了清华大学、同济大学等院校单位外，以北京富源、上海

神力为代表的公司也加入了研究行列。同时，有PEM燃料电池电堆用作汽车发动机的研究也取得很大的成就，比较突出的有同济的“超越”一号、“超越”二号燃料电池混合动力轿车，清华大学的“清能”一号、“清能”三号燃料电池大巴等。总之，PEM燃料电池的研究及其应用已呈现出百花齐放的趋势，我国的总体水平已接近世界先进发达水平。

3.PEM燃料电池的原理

PEM燃料电池的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料如氢的氧化过程，阴极催化氧化剂如氧等的还原过程；导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路作功并构成电的回路。但是它的工作方式又与常规的化学电源不同，而更类似于汽油、柴油发电机。它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以维护电池工作温度的恒定。

在电池中增湿后的氢气通过双极板上的气体通道穿过扩散层，到达阳极催化剂层，并吸附于电催化剂层中，然后在铂催化剂作用下，发生反应。

随后，H+进入质子交换膜，与膜中磺酸基（-SO3H）上的H+发生交换，使氢离子到达阴极。与此同时，阴极增湿的氧气也从双极板通过阴极扩散层，吸附于阴极电催化剂层中，并与交换而来的H+在铂的催化作用下发生反应。

电极反应生成的水大部分由尾气排出，一部分在压力差作用下通过膜向阳极扩散。

总的反应式为：1/2O2+H2→H2O

可见，燃料和氧化剂在PEM燃料电池隔膜的两侧分别完成半个反应的氧化还原反应。实际上，它就是一种通过电化学反应直接把燃料中的化学能转化为电能的装置。

4.PEM燃料电池的特点

PEM的研究越来越受到各国的重视，这是因为它具有以下优点：

（1）高效节能。能量转化率高。通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能，能量转化率高达40%～60%。

（2）使用固体电解质膜，可以避免电解质腐蚀。

（3）环境友好，可实现零排放。其唯一的排放物是纯净水，没有污染物排放，是环保型能源。

（4）发电效率受负荷变化影响很小，非常适合于用作分散型发电装置（作为主机组），也适于用作电网的“调峰”发电机组（作为辅机组）。

（5）冷启动时间短，可在数秒内实现冷启动。

（6）可靠性强，维护方便。PEMFC内部构造简单，无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。

（7）氢是世界上最多的元素，来源极其广泛。

但是，PEM燃料电池还存在很多问题，以致于没能大规模商业化。主要缺点：（1）膜的价格高，生产所需技术高。（2）对CO敏感，需要尽可能降低燃料中CO的浓度，以避免催化剂中毒；（3）催化剂成本较高。由于以贵金属铂作为催化剂，因此催化剂成本较高。（4）氢气的生产、储存和运输等技术目前还达不到高效、安全、可靠。（5）高温时寿命及稳定性不理想，以及燃料电池技术还不够普及。

5.展望

尽管PEMFC具有高效、环境友好等突出优点，但目前只能在特殊场所应用和试用。若作为商品进入市场，必须大幅度降低成本，使生产者和用户均能获利，即若作为电动车动力源，PEMFC造价应能与汽车、柴油发动机相比，若作为各种便携式动力源，其造价必须与各种化学电源相当。

参考文献

[1]衣宝廉.燃料电池——原理·技术·应用[M].北京：化学工业出版社，2003：18-23

[2]黄明宇，倪红军等.质子交换膜燃料电池的研究与应用[J].南通大学学报（自然科学版），2005，4（4）：10-13

[3]云洁.浅论燃料电池的国内外研究与进展[J].现代化工，2010（S2）

[4]张克军.质子交换膜燃料电池的研究进展[J].化工时刊，2008（09）

[5]许世森，朱宝田.探讨我国电力系统发展燃料电池发电的技术路线[J].中国电力，2001，24（7）：9-12

[6]李瑛，王林山.燃料电池[M].北京：冶金工业出版社，2000

[7]李文兵，齐智平.质子交换膜电池研究进展[J].化工科技，2005（04）

[8]刘建国，孙公权.燃料电池概述[J].物理，2004，33（2）：79～84.