燃料電池技術的研究現狀及展望

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1、燃料電池技術的研究現狀及展望　　摘要：介紹了質子交換膜燃料電池（PEMFC）的結構、原理、特點及應用情況，重點闡述了PEMFC的研究現狀，在此基礎上探討了PEMFC的發(fā)展趨勢。　　關鍵詞：質子交換膜燃料電池；雙極板；電極；催化劑　　　　1質子交換膜燃料電池的結構及原理　　　　按照電解質的不同可將燃料電池分為磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質子交換膜燃料電池（PEMFC）等五類。PEMFC單電池由質子交換膜、氣體擴散電極、雙極板等構成，圖1是其結構與工作原理示意圖

2、。　　　　PEMFC的基本工作過程如下：　?。?）氫氣通過雙極板上的導氣通道到達電池的陽極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子；　　（2）氫離子以水合質子H+（xH2O）的形式通過電解質膜到達陰極，電子在陽極側積累；　?。?）氧氣通過雙極板到達陰極后，氧分子在催化劑的作用下變成氧離子，陰、陽極間形成一個電勢差；　?。?）陽極和陰極通過外電路連接起來，在陽極積聚的電子就會通過外電路到達陰極，形成電流，對負載做功。同時，在陰極側反應生成水；　?。?）只要持續(xù)不斷地提供反應氣體，PEM

3、FC就可以連續(xù)工作，對外提供電能。　　　　2質子交換膜燃料電池的特點　　　?。?）高效率。PEMFC以電化學方式進行能量轉換，不存在燃燒過程，不受卡諾循環(huán)限制，其理論熱效率可達85-90%，目前的實際效率大約是內燃機的兩倍。傳統(tǒng)動力源為了提高效率必須將負荷限制在很小范圍內，而PEMFC幾乎在全部負荷范圍內均有很高效率。　?。?）模塊化。PEMFC在結構上具有模塊化的特點，可根據不同動力需求組合安裝，采用“搭積木”式的設計方法簡化了不同規(guī)模電堆的設計制造過程。　?。?）高可靠性。由于PEMFC電堆

4、采用模塊化的設計方法，結構簡單，易于維護。一旦某個單電池發(fā)生故障，可自動采取適當屏蔽措施，只會使系統(tǒng)輸出功率略有下降，而不會導致整個動力系統(tǒng)的癱瘓。　?。?）燃料多樣性。PEMFC動力系統(tǒng)既可以純氫為燃料，也可以重整氣為燃料。氫氣的來源可以是電解水的產物，也可以是對汽油、柴油、二甲醚等化石類燃料重整的產物。氫氣的存儲方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。　?。?）環(huán)境友好。當采用純氫為燃料時，PEMFC的唯一產物是水，可以做到零排放。以重整氣為燃料時，相對于內燃機而言，排放也極大降低。此外，PEM

5、FC噪聲水平也很低，各結構部件均可回收利用。　　3研究現狀　　　　3.1關鍵部件　　電解質膜、雙極板、催化劑及氣體擴散電極是質子交換膜燃料電池的四大關鍵部件。　　電解質膜是PEMFC的核心部件，它直接影響燃料電池的性能與壽命。1962年美國杜邦公司研制成功全氟磺酸型質子交換膜，1966年開始用于燃料電池，其商業(yè)型號為Nafion，至今仍廣泛使用。但由于Nafion膜成本較高，各國科學家正在研究部分氟化或非氟質子交換膜。　　雙極板在PEMFC中起著支撐、集流、分割氧化劑與還原劑并引導氣體在電池內

6、電極表面流動的作用，目前廣泛采用的是以石墨為材料，在其上加工出引導氣體流動的流場，基本流場形式有蛇形、平行、交指及網格狀等。　　鉑基催化劑是目前性能最好的電極催化劑，為提高利用率，鉑以納米級顆粒形式高分散地擔載到導電、抗腐蝕的擔體上，目前廣泛采用的擔體為乙炔炭黑，比表面積約為250m2/g，平均粒徑為30nm。　　PEMFC的氣體擴散電極由兩層構成，一層為起支撐作用的擴散層，另一層為電化學反應進行的場所催化層。擴散層一般選用炭材如石墨化炭紙或炭布制備，應具備高孔隙率和適宜的孔分布，不產生腐蝕或降解。

7、根據制備工藝和厚度不同，催化層分為厚層憎水、薄層親水及超薄三種類型。　　3.2測控系統(tǒng)　　PEMFC的工作性能受多種因素（溫度、壓力等）的影響，為確保PEMFC正常運行，提高其可靠性和有效性，就必須監(jiān)測各個影響因素。即運用有效的措施來連續(xù)監(jiān)測PEMFC運行的關鍵或重要狀態(tài)，并對收集到的信息進行必要的分析和處理，以便做到故障預測和及時診斷，為PEMFC管理系統(tǒng)提供依據。目前，進行PEMFC測試系統(tǒng)相關方面研究的公司和機構眾多，但仍沒有制定出有關PEMFC測試的國際標準和相應的標準測試設備，不過已有實用

8、的測試系統(tǒng)投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料電池測試站（FCATS）、美國Arbin公司的集成燃料電池測試系統(tǒng)（FCTS）是其中的突出代表。　　　　4質子交換膜燃料電池的應用　　　　質子交換膜燃料電池是目前各種燃料電池中實用程度較高的一類。其優(yōu)越性不僅限于能量轉換效率高、工作溫度低，還體現在其可在較大的電流密度下工作，適宜于較頻繁啟動的場合。因此世界各大汽車生產廠商一致看好其在汽車工業(yè)中的應用前景，PEMFC已成為現今燃料