燃料電池技術的研究現(xiàn)狀及展望

1、燃料電池技術的研究現(xiàn)狀及展望摘要：介紹了質(zhì)子互換膜燃料電池(PEMFC)的結(jié)構(gòu)、原理、特點及應用情形，重點論述了PEMFC的研究現(xiàn)狀，在此基礎上探討了PEMFC的進展趨勢。關鍵詞：質(zhì)子互換膜燃料電池；雙極板；電極；催化劑1質(zhì)子互換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)及原理依照電解質(zhì)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(zhì)子互換膜燃料電池(PEMFC)等五類。PEMFC單電池由質(zhì)子互換膜、氣體擴散電極、雙極板等組成，圖1是其結(jié)構(gòu)與工作原理示用意。PEMFC的大體工作進程如下：(1)氫氣通過雙極板上的導氣通道抵達電池的陽極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子

2、；(2)氫離子以水合質(zhì)子H+(xH20)的形式通過電解質(zhì)膜抵達陰極，電子在陽極側(cè)積存；(3)氧氣通過雙極板抵達陰極后，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；(4)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抵達陰極，形成電流，對負載做功。同時，在陰極側(cè)反映生成水；（5）只要持續(xù)不斷地提供反映氣體，PEMFC就能夠夠持續(xù)工作,對外提供電能。2質(zhì)子互換膜燃料電池的特點（1）高效率。PEMFC以電化學方式進行能量轉(zhuǎn)換，不存在燃燒進程，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(nèi)燃機的兩倍。傳統(tǒng)動力源為了提高效率必需將負荷限制在很小范圍內(nèi)

3、，而PEMFC幾乎在全數(shù)負荷范圍內(nèi)均有很高效率。（2）模塊化。PEMFC在結(jié)構(gòu)上具有模塊化的特點，可依照不同動力需求組合安裝，采納“搭積木”式的設計方式簡化了不同規(guī)模電堆的設計制造進程。（3）高靠得住性。由于PEMFC電堆采納模塊化的設計方式，結(jié)構(gòu)簡單，易于保護。一旦某個單電池發(fā)生故障，可自動采取適當屏蔽方法，只會使系統(tǒng)輸出功率略有下降，而可不能致使整個動力系統(tǒng)的癱瘓。（4）燃料多樣性。PEMFC動力系統(tǒng)既能夠純氫為燃料，也能夠重整氣為燃料。氫氣的來源能夠是電解水的產(chǎn)物，也能夠是對汽油、柴油、二甲醛等化石類燃料重整的產(chǎn)物。氫氣的存儲方式能夠是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。（5）環(huán)境友好。當采納

4、純氫為燃料時，PEMFC的唯一產(chǎn)物是水,能夠做到零排放。以重整氣為燃料時，相關于內(nèi)燃機而言，排放也極大降低。另外，PEMFC噪聲水平也很低，各結(jié)構(gòu)部件都可回收利用。3研究現(xiàn)狀關鍵部件電解質(zhì)膜、雙極板、催化劑及氣體擴散電極是質(zhì)子互換膜燃料電池的四大關鍵部件。電解質(zhì)膜是PEMFC的核心部件，它直接阻礙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(zhì)子互換膜，1966年開始用于燃料電池，其商業(yè)型號為NaRon,至今仍普遍利用。但由于Nafion膜本錢較高，各國科學家正在研究部份氟化或非氟質(zhì)子互換膜。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(nèi)電極表面流動的

5、作用，目前普遍采納的是以石墨為材料，在其上加工出引導氣體流動的流場，大體流場形式有蛇形、平行、交指及網(wǎng)格狀等。鉗基催化劑是目前性能最好的電極催化劑，為提高利用率，柏以納米級顆粒形式高分散地擔載到導電、抗侵蝕的擔體上，目前普遍采納的擔體為乙煥炭黑，比表面積約為250m2/g,平均粒徑為30nmoPEMFC的氣體擴散電極由兩層組成，一層為起支撐作用的擴散層，另一層為電化學反映進行的場所催化層。擴散層一樣選用炭材如石墨化炭紙或炭布制缶，應具有高孔隙率和適宜的孔散布，不產(chǎn)生侵蝕或降解。依照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。測控系統(tǒng)PEMFC的工作性能受多種因素（溫度、壓力

6、等）的阻礙，為確保PEMFC正常運行，提高其靠得住性和有效性，就必需監(jiān)測各個阻礙因素。即運用有效的方法來持續(xù)監(jiān)測PEMFC運行的關鍵或重要狀態(tài)，并對搜集到的信息進行必要的分析和處置，以便做到故障預測和及時診斷，為PEMFC治理系統(tǒng)提供依據(jù)。目前，進行PEMFC測試系統(tǒng)相關方面研究的公司和機構(gòu)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,只是已有有效的測試系統(tǒng)投入利用。加拿大Hydrogcnics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(zhì)子互換膜燃料電池的應用質(zhì)子互換膜燃料電池是目前各類燃料電池中有效程度

7、較高的一類。其優(yōu)越性不僅限于能量轉(zhuǎn)換效率高、工作溫度低，還體此刻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(chǎn)廠商一致看好其在汽車工業(yè)中的應用前景，PEMFC已成為現(xiàn)今燃料電池汽車動力的要緊進展方向。目前，通用、豐田等世界上知名的汽車公司，都在踴躍開發(fā)以PEMFC系統(tǒng)為動力源的PEMFC電動車，曾前后推出各類類型的樣車，并進行PEMFC電動車隊的示范運行。PEMFC電動車以其優(yōu)良的性能和環(huán)境污染很少等突出特點引發(fā)了人們的普遍關注，乃至被以為將是21世紀內(nèi)燃機汽車最為有力的競爭者。另外，在航空航天專門是無人飛行器領域，和家庭電源、分散電站、移動電子設缶電源、水下機械人及

8、潛艇不依托空氣推動電源等方面也有普遍應用前景。5質(zhì)子互換膜燃料電池的進展趨勢在關鍵部件方面，圍繞電解質(zhì)膜、催化劑及雙極板的研究方興未艾。全氟型磺酸膜價錢昂貴，開發(fā)非全氟的廉價質(zhì)子互換膜是爾后的研究方向。最近幾年來，新型質(zhì)子互換膜的的研究熱點是開發(fā)能夠在100以上利用的高溫電解質(zhì)膜。在催化劑方面，研制高性能抗CO中毒電極催化劑是最緊迫的任務，另外，還要尋覓非貴金屬氮化物或碳化物作為現(xiàn)有鋁催化劑的替代。目前普遍利用的石墨板具有較好的耐侵蝕能力和較高的熱導率，但本錢較高，加工難度大，強度、電導率和可回收性均不如金屬板。金屬板目前急需解決的問題是表面處置，以提高其耐侵蝕能力。復合材料雙極板那么結(jié)合了純石墨板和金屬板的優(yōu)勢，具有耐侵蝕、體積小、質(zhì)量輕、強度大及工藝性良好等特點，是以后進展的趨勢。在電堆方面，爾后的研究重點將是使電堆中的電池單元的性能接近于單電池的性能，這就需要對電堆的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，保證電堆中每一片電