質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理

燃料電池的工作過程實際上是電解水的逆過程，其基本原理早在1839年由英國律師兼物理學家威廉.羅泊特.格魯夫（William Robert Grove）提出，他是世界上第一位實現(xiàn)電解水逆反應并產(chǎn)生電流的科學家。一個半世紀以來，燃料電池除了被用于宇航等特殊領(lǐng)域外，極少受到人們關(guān)注。只是到近十幾年來，隨著環(huán)境保護、節(jié)約能源、保護有限自然資源的意識的加強，燃料電池才開始得到重視和發(fā)展。

PEMFC技術(shù)是目前世界上最成熟的一種能將氫氣與空氣中的氧氣化合成潔凈水并釋放出電能的技術(shù)：

1） 氫氣通過管道或?qū)獍宓竭_陽極，在陽極催化劑作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子（即質(zhì)子）并釋放出帶負電的電子。

2） 氫離子穿過電解質(zhì)（質(zhì)子交換膜）到達陰極；電子則通過外電路到達陰極。電子在外電路形成電流，通過適當連接可向負載輸出電能。

3） 在電池另一端，氧氣（或空氣）通過管道或?qū)獍宓竭_陰極；在陰極催化劑作用下，氧與氫離子及電子發(fā)生反應生成水

燃料電池有多種，各種燃料電池之間的區(qū)別在于使用的電解質(zhì)不同。質(zhì)子交換膜燃料電池以質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)，其特點是工作溫度低（約70-800C），啟動速度快，特別適于用作動力電池。電池內(nèi)化學反應溫度一般不超過80度，故稱為“冷燃燒”。

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反應的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。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。

兩電極的反應分別為：

陽極(負極)：2H2-4e=4H+

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(zhì)子交換膜只能傳導質(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載需要的燃料電池堆(簡稱電堆)。

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，導電、導熱性能優(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)。

（1）能量轉(zhuǎn)化效率高。通過氫氧化合作用，直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能，不通過熱機過程，不受卡諾循環(huán)的限制。

（2）可實現(xiàn)零排放。其唯一的排放物是純凈水（及水蒸氣），沒有污染物排放，是環(huán)保型能源。

（3）運行噪聲低，可靠性高。PEMFC電池組無機械運動部件，工作時僅有氣體和水的流動。

（4）維護方便。PEMFC內(nèi)部構(gòu)造簡單，電池模塊呈現(xiàn)自然的“積木化”結(jié)構(gòu)，使得電池組的組裝和維護都非常方便；也很容易實現(xiàn)“免維護”設(shè)計。

（5）發(fā)電效率受負荷變化影響很小，非常適合于用作分散型發(fā)電裝置（作為主機組），也適于用作電網(wǎng)的“調(diào)峰”發(fā)電機組（作為輔機組）。

（6）氫是世界上最多的元素，氫氣來源極其廣泛，是一種可再生的能源資源，取之不盡，用之不絕。可通過石油、天然氣、甲醇、甲烷等進行重整制氫；也可通過電解水制氫、光解水制氫、生物制氫等方法獲取氫氣。

（7）氫氣的生產(chǎn)、儲存、運輸和使用等技術(shù)目前均已非常成熟、安全、可靠。

一是用作便攜電源、小型移動電源、車載電源、備用電源、不間斷電源等，適用于軍事、通訊、計算機、地質(zhì)、微波站、氣象觀測站、金融市場、醫(yī)院及娛樂場所等領(lǐng)域，以滿足野外供電、應急供電以及高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。PEMFC電源的功率最小的只有幾瓦，如手機電池。據(jù)報道，PEMFC手機電池的連續(xù)待機時間可達1000小時，一次填充燃料的通話時間可達100小時（摩托羅拉）。適用于便攜計算機等便攜電子設(shè)備的PEMFC電源的功率范圍大致在數(shù)十瓦至數(shù)百瓦（東芝）。軍用背負式通訊電源的功率大約為數(shù)百瓦級。衛(wèi)星通訊車用的車載PEMFC電源的功率一般為數(shù)千瓦級。

二是可用作助動車、摩托車、汽車、火車、船舶等交通工具動力，以滿足環(huán)保對車輛船舶排放的要求。PEMFC的工作溫度低，啟動速度較快，功率密度較高（體積較?。┮虼?，很適于用作新一代交通工具動力。這是一項潛力十分巨大的應用。由于汽車是造成能源消耗和環(huán)境污染的首要原因，因此，世界各大汽車集團競相投入巨資，研究開發(fā)電動汽車和代用燃料汽車。從目前發(fā)展情況看，PEMFC是技術(shù)最成熟的電動車動力源，PEMFC電動車被業(yè)內(nèi)公認為是電動車的未來發(fā)展方向。燃料電池將會成為繼蒸汽機和內(nèi)燃機之后的第三代動力系統(tǒng)。PEMFC可以實現(xiàn)零排放或低排放；其輸出功率密度比目前的汽油發(fā)動機輸出功率密度高得多，可達1.4KW/公斤或1.6KW/升。用作電動自行車、助動車和摩托車動力的PEMFC系統(tǒng)，其功率范圍分別是300-500W、500W-2KW、2-10KW。游覽車、城市工程車、小轎車等輕型車輛用的PEMFC動力系統(tǒng)的功率一般為10-60KW。公交車的功率則需要100-175KW。PEMFC用作潛艇動力源時，與斯特林發(fā)動機及閉式循環(huán)柴油機相比，具有效率高、噪聲低和低紅外輻射等優(yōu)點，對提高潛艇隱蔽性、靈活性和作戰(zhàn)能力有重要意義。美國、加拿大、德國、澳大利亞等國海軍都已經(jīng)裝備了以PEMFC為動力的潛艇，這種潛艇可在水下連續(xù)潛行一個月之久。

三是可用作分散型電站。PEMFC電站可以與電網(wǎng)供電系統(tǒng)共用，主要用于調(diào)峰；也可作為分散型主供電源，獨立供電，適于用作海島、山區(qū)、邊遠地區(qū)或新開發(fā)地區(qū)電站。與集中供電方式相比，分散供電方式有較多的優(yōu)點：（1）可省去電網(wǎng)線路及配電調(diào)度控制系統(tǒng)；（2）有利于熱電聯(lián)供（由于PEMFC電站無噪聲，可以就近安裝，PEMFC發(fā)電所產(chǎn)生的熱可以進入供熱系統(tǒng)），可使燃料總利用率高達80％以上；（3）受戰(zhàn)爭和自然災害等的影響比較??；（4）通過天然氣、煤氣重整制氫，使得可利用現(xiàn)有天然氣、煤氣供氣系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施為PEMFC提供燃料，通過生物制氫、太陽能電解制氫方法則可形成循環(huán)利用系統(tǒng)（這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于廣大的農(nóng)村地區(qū)和邊遠地區(qū)），使系統(tǒng)建設(shè)成本和運行成本大大降低。因此，PEMFC電站的經(jīng)濟性和環(huán)保性均很好。國際上普遍認為，隨著燃料電池的推廣應用，發(fā)展分散型電站將是一個趨勢。