质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池protonproton exchangeexchange membranemembrane fuelfuel cellcell应用化学 10-1 班 倪飞 06102686 摘要摘要：介绍质子交换膜燃料电池的工作原理、性能特点、广阔的应用及发展前 景，同时也介绍了燃料电池的关键材料与关键技术和一些应用技术。 关键词：关键词：质子交换膜燃料电池；技术；发展；应用前景 前言前言 众所周知，如今随着工业科技的发展，不可再生的化石能源资源大量消耗， 且造成了十分严重的环境污染，人类社会的可持续发展面临着严峻的挑战。根 据国际能源机构预测，随着经济的发展、社会的进步和人口的增长，全世界的 能源消耗在今后20年至少要增加一倍。如果没有新型的能源动力，世界将从目 前的能源短缺很快走向能源枯竭。为解决经济发展与能源短缺及环境污染之间 日益加剧的矛盾，发展清洁、高效、可持续发展的新能源动力技术已成了十分 紧迫的任务，也引起了各国的高度重视。质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术就 是这样一种绿色能源技术，它被认为是继蒸汽机和内燃机之后的具有能源革命 意义的新一代能源动力系统。 1、质子交换膜燃料电池简介 质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称 PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳 极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还 原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。 工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。 质子交换膜燃料电池的电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将 双极板与膜电极三合一组件 (MEA)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、 后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆，如附图所 示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电 池。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各 单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂 接触进行电化学反应。 质子交换膜燃料电池的电堆核心 是 MEA 组件和双极板。 MEA 是将两张 喷涂有 Nafion 溶液及 Pt 催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交 换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。双极 板常用石墨板材料制作，具有高密度、高强度，无穿孔性漏气，在高压强下 无变形，导电、导热性能优良，与电极相容性好等特点。常用石墨双极板厚 度约 23.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流 道设计和加工工艺与电池性能密切相关。 PEMFC燃料电池最初是在20世纪60年代由美国开发的，已多次成功的用于双 子星座宇宙飞船的飞行。然而，当时所用的质子交换膜的抗氧化能力不够，电 池组工作寿命短。60年代中期出现的全氟磺酸膜有很好的热稳定性和化学稳定 性，因而80年代初开始广泛研制以美国杜邦公司Nafion作为交换膜的PEMFC，同 时亦偶有使用Dow公司的Dow膜和聚苯并咪唑膜。PEMFC一般用氢作为燃料，由于 氢的运输和储存问题，人们开始提出用甲醇等有机小分子作为PEMFC的燃料。2、质子交换膜燃料电池的工作原理 燃料电池的工作过程是电解水的逆过程，其基本原理早在1839年由英国律 师见物理学家威廉罗伯特格罗夫提出。他是世界上第一位实现电解水逆反 应并产生电流的科学家。一个半世纪以来，燃料电池除了被用于宇航等特殊领 域外，极少受到人们关注。只是到近十几年来，随着环境保护、节约能源、保 护有限自然资源的意识加强，燃料电池才开始得到重视和发展。 PEMFC技术是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净 水并释放出电能的技术，其工作原理图如图一所示： （1）氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离 为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子。（2）氢离子穿过电解质（质子交换膜）到达阴极；电子则通过外电路到达 阴极。电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。 （3）在电池另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极；在阴极 催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。 燃料电池有多种，各种燃料电池之间的区别在于使用的电解质不同。质子 交换膜燃料电池以质子交换膜为电解质，其特点是工作温度低，启动速度快， 特别适用于作动力电池。电池内化学反应温度一般不超过80C，故称为“冷燃 烧”。3、质子交换膜燃料电池燃料电池系统结构燃料电池的工作原理与普通电化学电池之间存在较大差别：普通电池是将 化学能储存在电池内部的化学物质中，它只是一个有限的电能输出和储存装置； 而燃料电池的燃料和氧化剂则是储存在电池外的储罐中。燃料电池发电时，需 要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也排出一定的 废热，以维持电池工作温度的恒定。燃料电池本身只决定输出功率大小，其储 存的能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。从这个意义上说，燃料 电池是一个氢氧发电装置，这也正是燃料电池与普通电池最大的区别。 燃料及其循环系统和氧化剂及其循环系统主要是向PEMFC提供燃料和氧化剂， 并循环回收为完全反应的气体；水/热管理系统主要用来保持电池内部的水平衡 和热平衡状态；控制系统则按负载对电池功率的要求，或随电池工作条件的变 化，对反应气体的流量、压力、水/热循环系统的水流速等进行控制，以保持电池正常的工作运行。 （1） 燃料及其循环系统PEMFC 的燃料可选用纯氢或碳氢化合物，如果电池以纯氢为燃料，则系统 结构相对简单，仅由氢源、稳压阀和循环回路组成，其中氢源可以采用压缩氢、 液氢或金属氢化物储氢；稳压阀控制燃料氢气的压力；循环回路用以循环利用 过量的燃料气，燃料气的过量一方面是为了保证电化学反应的充分进行，另一 方面也可以部分起到保持水平衡的作用，通常是采用一个循环泵或喷射泵将这 部分氢送回到电池燃料气的入口处，在这种情况下，可认为由氢源系统所提供 的氢百分之百用来发电。 如果PEMFC以碳氢化合物为燃料，则该系统结构要相对复杂得多，其中至少 要包括一个燃料处理器，用来将燃料或燃料与水的混合物转换成蒸气，这类转 换气中包括大部分氢、二氧化碳、水和微量的一氧化碳。另外，随燃料处理器 的不同，转换气中可能还会含有氮气。必须指出的是，在任何PEMFC 系统中， 转换气中的隋性气体和其它气体都将在不同程度上影响电池的性能。由于 PEMFC 的工作温度通常在l00C以下，在典型的PEMFC 系统中，CO 很容易吸 附在铂催化剂上，引起催化剂中毒，导致电池性能下降。因而，一般必须将转 换气中的CO 浓度控制在l00 l0 - 6 以下，这可通过一个转换器或一个选择氧 化器来实现。 （2）氧化剂及其循环系统 PEMFC 的氧化剂可以是纯氧或空气，若以纯氧作氧化剂，其系统组成和 控制与纯氢作燃料气相类似。然而，从实用化和商业化的角度来考虑，PEMFC 均采用空气作氧化剂，其中对应于不同的应用需要，空气可以是常压，也可以 是压缩的。通常，采用常压空气作氧化剂，可简化电池系统的结构。考虑到电 池性 能随氧压力的增大而升高，因而在获得同等电池性能的前提下，采用常压空气 作氧化剂的PEMFC 系统必须具有较大的尺寸和更高的制造成本。采用常压空 气带来的另外一个问题是增加了电池系统水/ 热管理的难度，这种缺点对小型 低功率电池系统的影响并不十分明显，但对大型商用电源来说，其负面影响不 可忽视。正是由于上述原因，在PEMFC 的众多应用中，均采用压缩空气作氧 化剂，尽管这样增大了氧化剂及其循环系统的复杂性。通常，这样一个系统都 包含一个由PEMFC 驱动的压缩机和一个可以从排放气中回收部分能量的涡轮 热膨胀器。一般来说，采用何种形式的氧化剂，取决于特定应用场合下系统效 率、重量及制造成本之间的平衡。 （3）水/ 热管理系统 水/ 热管理系统是以压缩空气为氧化剂的PEMFC 所采用的典型的水/ 热 管理系统，大部分的反应物水随着过量的空气流从阴极排出。通常，氧化剂的 流量是PEMFC 发生反应所需化学计量流量的2 倍。由于PEMFC 的最佳工作 温度为70C 90C，反应产物均以液态形式存在，易于收集，因而相对其它类型 的燃料电池而言（如磷酸型燃料电池），PEMFC 的水管理系统更为简单。另 外，在其它的一些系统中，反应产物水也可由阳极排出。在多数PEMFC 系统 中，反应产物水被用于系统的冷却和部分用来加湿燃料气和氧化剂，如图2 中 所示，产物水首先通过燃料电池堆的反应区冷却电堆本身，在冷却的过程中水 蒸气被加热至燃料电池的工作温度，被加热的水再与反应气体接触，起到增湿 的效果。除了在增湿过程中，部分热量被反应气体带走，还需要一个进一步的 热交换过程，将水中多余的热量带走，防止PEMFC 系统热量逐渐积累，造成 电池温度上升，性能下降。这些热交换过程是采用一个水/ 空气热交换器来完成，当然在一些特殊的PEMFC系统中，这部分过多的热量也可用作空调（加热） 和饮用热水来使用。 （4）控制系统PEMFC 系统是一个由众多子系统组成的复杂系统, 系统中的每一部分既 相互独立，又互相联系，任一部分工作失常都将直接影响电池性能。为保证整 个系统可靠运行，需要多种功能不同的阀件、传感器和水、热、气调节控制装 置，由这些控制装置及其相应的管路组成的控制系统很大程度上决定了PEMFC 系统的实用性，如作为笔记本电脑电源的小型PEMFC，在燃料电池本体已实现 微型化的前提下，控制系统也必须微型化。 4、质子交换膜燃料电池的优点(l ) 能量转化效率高。通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能，不通 过热机过程，不受卡诺循环的限制。 (2 ) 实现零排放。其唯一的排放物是纯净水（及水蒸气），没有污染物排 放，是环保型能源。 (3 ) 运行噪声低，可靠性高。PEMFC 电池组无机械运动部件，工作时仅 有气体和水的流动。 (4 ) 维护方便。PEMFC 内部构造简单，电池模块呈现自然的“积木化” 结构，使得电池组的组装和维护都非常方便；也很容易实现“免维护”设计。 (5 ) 发电效率受负荷变化的影响很小，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）。 (6 ) 氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛，是一种可再生的能源资 源，取之不尽，用之不绝。可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行重整制氢； 也可通过电解水制氢、光解水制氢、生物制氢等方法获取氢气。 (7 ) 氢气的生产、储存、运输和使用等技术目前均已非常成熟、安全、可 靠。在近l0 - 20 年内，氢气的来源仍将以化石燃料重整制氢为主；但从长远看， 人们更倾向于将氢气视为储能载体，氢气来源将主要依靠可再生的能源资源。 在人类社会进入氢能经济时代后，氢能将主要来自太阳能、风能、水能、地热 能、潮汐能以及生物能。太阳能、风能、水能、地热能、潮汐能将大规模地用 于发电并用于电解水，从而大量地将这些不可直接存储的能量以氢能形式存储 起来，供人们需要时使用；此外，通过生物制氢的方法，城市和农村地区都可 以从有机垃圾和植物体中获取大量生物能（如甲烷）。 5、质子交换膜燃料电池的应用PEMFC 的应用十分广泛，主要应用领域可分为以下三大类： 一是用作便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、不间断电源等， 适用于军事、通讯、计算机、地质、微波站、气象观测站、金融市场、医院及 娱乐场所等领域，以满足野外供电、应急供电以及高可靠性、高稳定性供电的 需要。 PEMFC 电源的功率最小的只有几瓦，如手机电池。据报道，PEMFC 手机电 池的连续待机时间可达l 0001，一次填充燃料的通话时间可达l00 1（摩托罗拉）。 适用