质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池及车载应用现状摘要：质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、无污染、能量密度高、低温启动等优点， 应用前景广阔。其工作原理相当于水电解的逆过程，主要由正极、负极、电解质和双极板构 成。目前质子交换膜燃料电池已经在电动汽车上有了初步应用，但因成本高，电池堆的水、 热管理系统不成熟等问题而受到应用限制。关键字：质子交换膜燃料电池；原理；应用Abstract: Proton exchange membrane fuel cell （PEMFC） has the advantages of high energy conversion efficiency, no pollution, high energy density and low running temperature, with broad application prospects. PEMFC consists of the positive, negative, electrolyte and bipolar plate mainly and the working principle is equivalent to the inverse process of electrolytic water. At present, the electric vehicle with PEMFC as energy resource has been in a preliminary application. But because of the high cost and weak control of water and thermal management systems, the application of PEMFC is limited.Keywords: proton exchange membrane fuel cell; principle; application前言随着世界经济的快速发展，能源短缺现象日渐明显，预计将在21世纪中期石油枯竭。现今各国科研人员都在努力寻找新的能源结构，比如将风能、水能、太阳能、化学能、生物 能、核能等转化为动力，逐渐取代化石燃料在社会能源中的主导地位。燃料电池采用可再生 能源代替电力和化石燃料，按电解液类型可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）。其中，质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）是一种以氢气和氧气为原料的清洁能源，具有能量转化效率高、零污染、能量密度高、相对 于其它类型燃料电池运行温度低（70-90C左右）等优点，且具有大规模生产，可以降低成 本的潜力，有望在车载动力、军需装置、移动及便携式能源设备上得到广泛应用。一、质子交换膜燃料电池概述质子交换膜燃料电池是一种化学能转化为电能的能量转换装置2，以固体质子交换膜为 电解质、Pt/C为催化剂，氢气为燃料，空气或氧气为氧化剂。其在燃料电池中具有常温工作 的优势，燃料的化学能绝大部分都转换为电能，只有少部分以废热方式散出，不需要废热能 量回收装置，体积小，重量轻，并且可以冷启动和快启动，表1为不同燃料电池性能对比数 据。表1不同燃料电池性能对比表电池名称与代号碱性燃料电池AFC磷酸型燃料电池PAFC质子交换膜燃料电池PEMFC熔融碳酸盐燃料电池MCFC固体氧化物燃料电池SOFC工作温度60120C180210C6090C600700C9001000C燃料高纯H2H2H2h2-co,ch4h2-co,ch4氧化剂高纯O2空气空气/。2空气+CO2空气电解质KOHH3PO4质子交换膜(K, Li)2CO3Ni,ZrO2阳极催化剂PtPtPtNiNi,ZrO2阴极催化剂PtPtPtNiOLa-Sr-MnO2目前，就技术现状而言，水热管理技术是质子交换膜燃料电池发电系统的关键技术之一。 电堆运行时，质子交换膜需要保持一定的湿度，同时需要排除反应生成的水。不同形态的水 的迁移、运输、生成、凝结对电堆的稳定运行都有很大的影响，这就产生了质子交换膜燃料 电池发电系统的水、热管理问题3】。通常情况下，电堆需要使用复杂的纯水增湿系统来增湿 质子交换膜，以免电极“干死”（质子交换膜传导质子能力下降，甚至损坏）；同时，又必须 及时将生产的水排出，以防电极“淹死。由于质子交换膜燃料电池的运行温度一般在80r 左右时运行效能最好，因此需对反应气体进行加湿过程；同时，电堆发电时产生的热量将使 电堆温度升高，必须采取适当的冷却措施，以保持质子交换膜燃料电池电堆工作温度稳定。二、质子交换膜燃料电池原理质子交换膜燃料电池是由电极（阳极和阴极x电解质（质子交换膜）、催化剂和双极板 构成，其工作原理相当于电解水的逆过程，即：阳极 2H2 4H+ 4e阴极 O2+ 4H+ 4e 2H2O总反应 2H2+ O2 2H2O质子交换膜燃料电池中氢气由阳极极板流场通道进入扩散层，再通过扩散层到达阳极 催化层。在阳极催化剂作用下，H2在阳极催化层中解离为H+和带负电的电子。阳极催化层 反应生成的H+穿过质子交换膜到达阴极，电子则通过外电路到达阴极。氧气由阴极极板通 道进入扩散层，再通过扩散层到达阴极催化层。在阴极催化剂作用下阴极氧离子和与通过质 子交换膜到达阴极的H+以及电子反应生成水，工作原理图如图1所示。图1质子交换膜燃料电池原理图由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只 能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。将多个单电池 层叠组合就能构成输出电压以满足实际负载需要的燃料电池堆（简称电堆）。氢阳极是氢气 发生氧化反应而产生质子的场所，氧阴极是氧气发生还原反应并生成水的场所。质子交换膜 的作用是使阳极产生的质子通过该膜到达阴极，与阴极的氧反应生成水，并释放一定的能量。 由于该过程不经过燃烧，因此不受卡诺循环的限制。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栓牢，即构成质子交换 膜电池堆，其外形如图2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，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。图2质子交换膜燃料电池电堆图三、质子交换膜燃料电池车载应用现状质子交换膜燃料电池虽然已经做了大量的研究工作并取得一定的成绩，但许多方面还需 要深入开发。氢气制备、储存和运输技术、电堆系统优化和控制技术方面需要进一步完善； 水热管理、从单电池到堆栈参数的测量、流场设计、燃料处理、阳极的CO中毒、MEA结 构和阴极的极化等问题也需要提高；在小型化技术上，燃料电池的体积问题也有待突破；燃 料电池的成本太高和燃料的供应是目前最急需克服的难题。对于当前PEMFC系统，平均体 积比功率估计可达115 118kW /L，质量比功率可达112115kW /kg ；不考虑制造过程中的 损失和研发成本，目前燃料电池堆的成本为6770美元/kW，系统成本为108110美元/kW； 系统寿命可达4 000h；燃料电池发动机可在-30C实现冷启动；对净输出功率70kW左右的 车用燃料电池系统，当其净功率为1015kW时，系统效率可达55%左右；额定工况下，系 统效率约为40%4。质子交换膜燃料电池理论上的热电转化效率为85%90%，实际转化效率约为40%60%5， 而普通热机的热电转化效率仅为30%34%。目前质子交换膜燃料电池已在动力汽车方面有 了初步的应用，在2009年美国底特律车展上，梅赛德斯奔驰公司推出了 BlueZERO F-CELL零 排放、续驶里程400km以上的燃料电池概念车，并宣布自2009年起将首次小规模生产。通 用汽车推出了雪佛兰Equinox和凯迪拉克Provoq燃料电池概念车。Equinox的燃料电池发动 机位于车辆的中心部位，氢气储存装置由3个70MPa的高压储氢罐组成，氢燃料最大存储 量为412kg，续驶里程可达320km。Provoq的动力由通用汽车的第5代燃料电池发动机和锂 电池组成，续驶里程约为450480km6。如下为巴拉德汽车和戴姆勒-奔驰汽车应用质子交 换膜燃料电池的应用相关数据。表2质子交换膜燃料电池应用数据表刀项目巴拉德汽车戴姆勒-奔驰汽车质子交换膜燃料电池MK5MK5电池组合3*82*6系统质量/kg2820840系统体积/m2约81.3输出电压/V （直流）160280130230燃料电池功率/kw10450燃料电池净功率/kw7540机械推进动力/kw约5530电动机直流电动机交流电动机车型小型公共汽车微型拖车乘员/人202车速/(km/h)7080燃料纯氢(20MPa)纯氢(30MPa)四、总结质子交换膜燃料电池作为一种新型清洁能源，以其特有的高效率和环保性引起了全世界 的关注。虽然目前在车载电源产业化方面还存在许多挑战，但质子交换膜燃料电池作为新一 代发电技术，国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。随着质子 交换膜燃料电池的技术不断提高和成本逐步降低，燃料电池将逐步获得应用，在市场上将具 有很大的应用前景。参考文献1 刘建国，孙公权.燃料电池概述J.物理,2004(33): 79-84.2 李万平，郭晓霞.绿色新能源一一燃料电池J.中国石油企业,2005(Z1): 62.3 葛轶，王力.质子交换膜燃料电池技术J.水雷战与舰船防护,2012(20): 64-67.周苏，纪光霁，陈凤祥，马天才，章桐.车用质子交换膜燃料电池系统技术现状J.汽车工程，2009(31): 489-495.5 张丽彬，陈晓宁，吴文健，高洪涛.质子交换膜燃料电池发展前景探讨J.科学研究， 2011(4): 15-19.6 周苏，纪光霁，陈凤祥，马天才，章桐.车用质子交换膜燃料电池系统技术评估与分析J. 汽车工程,2010(32): 749-756.7 桂观群，黄磊，黄斌香.质子交换膜燃料电池及其特点与应用浅析J.新材料产业，2013(2): 32-35.