關(guān)于質(zhì)子交換膜燃料電池的概論

關(guān)于質(zhì)子交換膜燃料電池的簡介隨著時代的發(fā)展，能源日益受到人們的重視，隨著一次能源（煤、石油、天然氣）因被開采消耗而日益減少，但隨著時代的進步，人類對能源的需求愈來愈大，當(dāng)前可用的能源量從數(shù)量和質(zhì)量上都漸漸無法滿足人類的需求，因此開發(fā)新能源，找到能夠讓人類繼續(xù)享受生活的新能源正漸漸走入人類的視野，也逐漸成為橫在人類進步路上亟待解決的的“攔路虎”之一。另外，隨著人類的進步，對能源質(zhì)量的需求也愈發(fā)增高，即不僅僅是對高能的需求，而且對環(huán)境的影響也被考慮在內(nèi)那些對環(huán)境有巨大污染的能源（一次能源，和部分其他能源），都將會被人類排除到視野之外，各種綠色能源都成為人類的追求。然而對于新能源，新能源是指傳統(tǒng)\o"能源"能源之外的各種能源形式。它的各種形式都是直接或者間接地來自于太陽或地球內(nèi)部所產(chǎn)生的熱能。包括\o"太陽能"太陽能、\o"風(fēng)能"風(fēng)能、\o"生物質(zhì)能"生物質(zhì)能、\o"地?zé)崮?地?zé)崮?、\o"水能"水能和\o"海洋能"海洋能以及由可再生\o"能源"能源衍生出來的生物燃料和氫所產(chǎn)生的能量。也可以說，新能源包括各種\o"可再生能源"可再生能源和\o"核能"核能。相對于\o"傳統(tǒng)能源"傳統(tǒng)能源，新能源普遍具有污染少、儲量大的特點，對于解決當(dāng)今世界嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和\o"資源"資源(特別是\o"化石能源"化石能源)枯竭問題具有重要意義。而對于本文，則主要要講一種關(guān)于新能源的利用形式————燃料電池，質(zhì)子交換膜燃料電池。1839年英國的Grove發(fā)明了燃料電池，并用這種以鉑黑為電極催化劑的簡單的氫氧燃料電池點亮了倫敦講演廳的照明燈。1889年Mood和Langer首先采用了燃料電池這一名稱，并獲得200mA/m2電流密度。由于發(fā)電機和電極過程動力學(xué)的研究未能跟上，燃料電池的研究直到20世紀(jì)50年代才有了實質(zhì)性的進展，英國劍橋大學(xué)的Bacon用高壓氫氧制成了具有實用功率水平的燃料電池。60年代，這種電池成功地應(yīng)用于阿波羅(Appollo)登月飛船。從60年代開始，氫氧燃料電池廣泛應(yīng)用于宇航領(lǐng)域，同時，兆瓦級的磷酸燃料電池也研制成功。從80年代開始，各種小功率電池在宇航、軍事、交通等各個領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能，直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)源源不斷地從外部向燃料電池供給燃料和氧化劑時，它可以連續(xù)發(fā)電。依據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸型燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等。燃料電池不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，潔凈、無污染、噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)、積木性強、比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。

大型電站，火力發(fā)電由于機組的規(guī)模足夠大才能獲得令人滿意的效率，但裝有巨型機組的發(fā)電廠又受各種條件的限制不能貼進用戶，因此只好集中發(fā)電由電網(wǎng)輸送給用戶。但是機組大了其發(fā)電的靈活性又不能適應(yīng)戶戶的需要，電網(wǎng)隨用戶的用電負荷變化有時呈現(xiàn)為高峰，有時則呈現(xiàn)為低谷。為了適應(yīng)用電負荷的變化只好備用一部分機組或修建抽水蓄能電站來應(yīng)急，這在總體上都是以犧牲電網(wǎng)的效益為代價的。傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有近70%要消耗在鍋爐和汽輪發(fā)電機這些龐大的設(shè)備上，燃燒時還會排放大量的有害物質(zhì)。而使用燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，不需要進行燃燒，沒有轉(zhuǎn)動部件，理論上能量轉(zhuǎn)換率為100%，裝置無論大小實際發(fā)電效率可達40%～60%，可以實現(xiàn)直接進入企業(yè)、飯店、賓館、家庭實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，沒有輸電輸熱損失，綜合能源效率可達80%，裝置為積木式結(jié)構(gòu)，容量可小到只為手機供電、大到和火力發(fā)電廠相比，非常靈活。而對于質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell，英文簡稱PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當(dāng)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(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時相當(dāng)于一直流電源，陽極即電源負極，陰極即電源正極。燃料電池優(yōu)點-----------------------------------------燃料電池的結(jié)構(gòu)-------------------------------------燃料電池的發(fā)展瓶頸-----------------------------------燃料電池的發(fā)展前景------------------------------------一，燃料電池的優(yōu)點——效率高。燃料電池發(fā)電不經(jīng)過從熱能到機械能再到電能的轉(zhuǎn)換過程，因而沒有中間環(huán)節(jié)的能量損失。能量轉(zhuǎn)化效率高，他直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)（卡諾循環(huán)(Carnot

cycle)

是由法國工程師尼古拉·萊昂納爾·薩迪·卡諾于1824年提出的，以分析熱機的工作過程，卡諾循環(huán)包括四個步驟：

等溫膨脹，

絕熱膨脹，等溫壓縮，絕熱壓縮。即理想氣體從狀態(tài)1（Ｐ1，Ｖ1，Ｔ1）等溫膨脹到狀態(tài)2（Ｐ2，Ｖ2，Ｔ2），再從狀態(tài)2絕熱膨脹到狀態(tài)3（Ｐ3，Ｖ3，Ｔ3），此后，從狀態(tài)3等溫壓縮到狀態(tài)4（Ｐ4，Ｖ4，Ｔ4），最后從狀態(tài)4絕熱壓縮回到狀態(tài)1。這種由兩個等溫過程和兩個絕熱過程所構(gòu)成的循環(huán)成為卡諾循環(huán)）的限制?，F(xiàn)在，火力發(fā)電或原子能發(fā)電最高效率只不過是40％，而燃料電池的發(fā)電效率一般為40％～60％。工作溫度高的熔化碳酸鹽型和固體電解質(zhì)型燃料電池，排放的余熱還可用于二次發(fā)電。利用余熱進行電熱聯(lián)供或進行聯(lián)合發(fā)電，燃料電池的綜合利用效率可達

70％～80％。

——機動靈活。燃料電池發(fā)電裝置是由許多基本單元組成的。一個基本單元是兩個電極夾一個電解質(zhì)板。將上百個基本單元組裝起來就構(gòu)成一個電池組，再將電池組集合起來就形成了發(fā)電站?？梢愿鶕?jù)不同的需要靈活地組裝出不同規(guī)模的燃料電池發(fā)電站。燃料電池的基本單元可按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先進行大規(guī)模生產(chǎn)，所以燃料電池電站的建設(shè)成本低，建造周期短。另外，由于燃料電池重量輕、體積小、比功率高，移動起來比較容易，所以它特別適合在海島上或邊遠地區(qū)建造發(fā)電站，或建造分散型電站。

——燃料多樣。雖然燃料電池的工作物質(zhì)主要是氫，但它可用的燃料有煤氣、甲醇、液化石油氣等各種碳氫化合物。根據(jù)實際情況，因地制宜地使用不同的燃料，或?qū)⒉煌娜剂线M行組合使用，可以達到就地取材、節(jié)省資源的目的。

——無污染。燃料電池的生成物主要是水，基本上不排放有害氣體，所以它是一種非常清潔的能源。據(jù)報道，一些燃料電池的有害氣體排放量比美國的國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定低兩個數(shù)量級。另外，燃料電池是靜止發(fā)電，本身無機械傳動裝置，只是在控制系統(tǒng)等輔助裝置中有運動部件，因而它工作時振動很小，噪音很低。質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是以全氟磺酸型離子交換膜—Nafion（nafion室友全氟磺酸酯構(gòu)成的一種優(yōu)良的陽離子交換劑。在nafion內(nèi)部，分子憎水劑的疇的鏈端為親水性的離子化磺酸基，由于其離子交換作用的是磺酸基，所以他對陽離子有很好的選擇性）為電解質(zhì)、以Pt／C為電催化劑、氫氣或重整氣為燃料、空氣或氧氣為氧化劑、工作溫度一般在60~100°C的一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電裝置，是一種高效、節(jié)能、安全可靠的新型環(huán)保電池。適用于交通、電站、可移動電源及潛艇等多種用途，具有廣闊的市場前景，已引起越來越多國家和企業(yè)的重視，都紛紛斥巨資于這一項目，目前已接近于商業(yè)化應(yīng)用PEMFC是利用質(zhì)子交換聚合物作為電解質(zhì)，將電解質(zhì)膜壓在兩電極之間，構(gòu)成一個單一的膜電極組件。膜電極組件是燃料電池的核心部分，其厚度不到1mm，質(zhì)子交換膜燃料電池中的電極反應(yīng)類同于其他酸性電解質(zhì)燃料電池。陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應(yīng)2H2-4e=4H+產(chǎn)生的電子經(jīng)外電路到達陰極，氫離子經(jīng)電解質(zhì)膜到達陰極。氧氣與氫離子及電子在陰極發(fā)生反應(yīng)生成水O2+4e+4H+=2H2O

,生成的水不稀釋電解質(zhì)，而是通過電極隨反應(yīng)尾氣排出，目前阻止燃料電池進入市場的主要因素是其成本太高。質(zhì)子交換膜燃料電池主要由MEA和極板兩部分構(gòu)成，要降低其成本和提高輸出功率，除了改進三合一膜電極組件、降低鉑含量或選用鉑的替代金屬外，主要是設(shè)法選擇合適的極板材料、流場結(jié)構(gòu)、合理的制備工藝，降低電池的內(nèi)阻，提高電池的性能。機加工石墨流場板的成本占整個電池組成本的60%~70%，因此，降低雙極板的成本對于質(zhì)子交換膜燃料電池的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。它的主要結(jié)構(gòu)（1），雙極板雙極板的兩側(cè)分別刻有燃料和氧化劑流場，反應(yīng)氣體通過極板六道進入燃料電池內(nèi)部進行反映，同時雙極板還具有導(dǎo)電功能和阻氣作用質(zhì)子交換膜燃料電池的雙極板具有以下功能和特點：（1）分隔氧化劑與還原劑。要求雙極板必須具有阻氣功能，不能采用多孔透氣材料。如果采用，必須要采取措施堵孔。（2）有收集電流作用，必須采用電的良導(dǎo)體；極板必須是熱的良導(dǎo)體，以保證電池組的溫度均勻分布和排熱方案的實施。（3）雙極板材料必須能在電池工作條件下和其工作的電位范圍內(nèi)具有抗腐蝕能力。（4）雙極板兩側(cè)應(yīng)加工或置有使反應(yīng)氣體均勻分布的通道（即所謂的流場），以確保反應(yīng)氣在整個電極各處均勻分布。（5）雙極板材料應(yīng)質(zhì)量輕、強度好，并且適于批量加工。（2），氣體擴散層氣體擴散層又可分為擴散層和催化層。擴散層是一種以碳紙或碳布為基底，并涂有輸水功能的聚四氟乙?。ň鬯姆蚁≒olytetrafluoroethene，“PTFE”一般稱作“不粘涂層”或“易潔鑊物料”；是一種使用了氟取代聚乙烯中所有氫原子的人工合成高分子材料。這種材料具有抗酸抗堿、抗各種有機溶劑的特點，幾乎不溶于所有的溶劑。同時，聚四氟乙烯具有耐高溫的特點，它的摩擦系數(shù)極低，所以可作潤滑作用之余，亦成為了易潔鑊和水管內(nèi)層的理想涂料）的多孔結(jié)構(gòu)。擴散層具有如下功能①支撐催化層②導(dǎo)電物質(zhì)碳為電子提供通道；③由PTFE形成的疏水孔為氣體的擴散提供通道；④表面沒有PTFE的孔為液體水流動提供通道。催化層時發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的地方，它由催化劑Pt/ C和疏水性物質(zhì)PTFE構(gòu)成。催化層通常深入質(zhì)子導(dǎo)體nafion溶液，構(gòu)成一個電解質(zhì)、催化劑和反應(yīng)氣體共存的反應(yīng)區(qū)，從而提高催化劑的利用效率。（3）電解質(zhì)膜電解質(zhì)膜是氫離子傳遞的通道，同時水也可以通過在其中傳遞。制備后的氣體擴散電極經(jīng)熱壓與PEM相結(jié)合，形成膜電極三合一組件（膜電極三合一組件，MEA，Membrane

Electrode

Assemblies。MEA是燃料電池的質(zhì)子交換膜

(PEMs)，催化劑和電極的

組合。該質(zhì)子交換膜是夾在兩電極之間，催化劑嵌入在他們之間。電極相對質(zhì)子交換膜是絕緣的。

這兩個電極分為陽極和陰極。

該質(zhì)子交換膜是質(zhì)子滲透膜，它是絕緣的。通過這個絕緣膜運輸質(zhì)子從陽極向陰極，電子則從導(dǎo)電的路徑運輸?shù)疥帢O。如杜邦公司(Dupont)，Dow

and

E-TEK

都在生產(chǎn)質(zhì)子交換膜PEMs。

杜邦公司的PEM商標(biāo)名稱

"Nafion"

，該公司使用的Nafion質(zhì)子交換膜有Nafion112，115，117，105）也可以分為，1，電極組中間層為高分子質(zhì)子交換膜，簡稱交換膜，是固態(tài)高分子電解材料，用以傳送質(zhì)子，且須隔阻電子與氣體通過；其兩邊外側(cè)為觸媒反應(yīng)層，陽極與陰極的電化學(xué)反應(yīng)分別在此兩層進行，目前以鉑／碳或鉑／釕／碳粉體為觸媒；2，氣體擴散組觸媒層兩邊外側(cè)是兩層擴散層，為經(jīng)疏水處理以避免水分阻塞的碳纖維，能將反應(yīng)物擴散至觸媒反應(yīng)層，并將生成物擴散排出；擴散層兩邊外側(cè)為兩層流場板，與擴散層接觸面有許多氣體導(dǎo)流槽，反應(yīng)物與生成物即經(jīng)由這些導(dǎo)流槽進出燃料電池；3，導(dǎo)電隔離組于流場板外側(cè)是導(dǎo)電板，負責(zé)收集電流，再經(jīng)由電路傳送至負載；最外層有兩片壓板，用以固定與隔離保護整個電池組。瓶頸之一——質(zhì)子交換膜燃料電池的水、熱管理1水管理的重要性膜電極(MembraneElectrodeAssembly,簡稱MEA)是質(zhì)子交換膜燃料電池的核心部件之一,對PEMFC的輸出功率、能量密度分布及工作壽命有著決定性的影響。提高膜電極性能的關(guān)鍵是在催化粒子的周圍形成良好的質(zhì)子、電子和氣體通道,因此,膜應(yīng)有一定的含水量,以保證膜良好的質(zhì)子傳導(dǎo)性,否則膜易脫水、皺縮甚至破裂,嚴(yán)重阻礙質(zhì)子傳導(dǎo);同時水也不能太多,膜的含水量過多,水就會淹沒電極,造成陰極淹沒,從而液態(tài)水膜會由于O2極低的溶解度而顯著增加傳質(zhì)阻力,同時水會堵塞多孔擴散層中的孔隙,嚴(yán)重阻礙O2傳輸,使陰極O2供應(yīng)不足,濃差極化增大,從而導(dǎo)致電池性能大幅度下降。陰極淹沒是引起濃差極化的根本原因。探索電極淹沒產(chǎn)生條件,確定其對燃料電池工作性能的影響極其重要。整個通道,阻礙了O2的傳輸。因此,保持PEM電池中的水平衡,保證膜的必要的工作條件往往是提高電池性能和壽命的一個關(guān)鍵問題。2水的遷移機理PEMFC中的水是以氣態(tài)和液態(tài)存在的,這取決于存在點的溫度和壓力,當(dāng)水蒸氣分壓力超過飽和蒸汽壓時將轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)[6]。水的來源包括:陰極電化學(xué)反應(yīng)生成的水和反應(yīng)氣體帶入的水,而陰極水還包括從陽極隨質(zhì)子遷移到陰極的水。反應(yīng)生成的水一部分以蒸汽或冷凝水的形式由過剩的反應(yīng)氣從陰極氣室排走,一部分通過膜傳輸?shù)疥枠O或被膜吸收。膜中的水含量主要取決于膜的水平衡,水分子在膜中遷移受四個驅(qū)動力的作用。(1)電滲力的拖動作用,指的是質(zhì)子從陽極遷移到陰極時,會攜帶一部分水分子。(2)陰極向陽極的反擴散作用,由于電滲作用,膜的陽極側(cè)的水將減少;由于電滲及水的生成,陰極側(cè)的水將增加,從而陰極側(cè)的膜表面上有更高的水含量。(3)燃料氣體或氧化劑氣體中的水分子向膜中的擴散;

(4)陰陽兩極間的壓力梯度造成的水的滲透。如果向陰陽兩極方向運動的水速率相等,膜中水則處于水平衡狀態(tài);若不加以控制,就會失去水平衡,造成膜中含水量或多或少,影響電池運行及性能。3影響水平衡的主要因素由上面的水的遷移機理可以看出,凡是影響電滲、擴散、水補給等的因素都將影響水的平衡,即膜的濕度和放電電流密度、反應(yīng)氣的濕化程度、電池工作溫度、反應(yīng)氣溫度及反應(yīng)氣的流量有著密切的關(guān)系。放電電流密度既影響水的生成量又影響電滲。由電池的工作原理和反應(yīng)的化學(xué)方程式也可以看出,質(zhì)子交換膜燃料電池的產(chǎn)水量與工作電流呈線性關(guān)系,工作電流越大,電池的產(chǎn)水量越大。工作電流和電池的產(chǎn)水量之間有一一對應(yīng)的關(guān)系,并且由ZHWang和CYWang的理論推理可以得到液體水出現(xiàn)的臨界電流密度。PEMFC的模擬及其試驗分析表明:在電流密度不大的情況下,越過膜的水的凈流量很低,膜很容易被加熱的反應(yīng)氣吹干,出現(xiàn)干涸現(xiàn)象;隨著電流密度的提高,產(chǎn)水量增加,電滲系數(shù)減小,電池內(nèi)阻明顯增大,導(dǎo)致電池工作電壓急劇下降。電池工作溫度及反應(yīng)氣溫度會影響水在氣室的飽和蒸汽壓,進而影響水的擴散和補給。溫度對燃料電池的性能有著重要的影響。反應(yīng)氣的濕化程度會影響擴散及水補給。試驗表明,陽極增濕程度越大,陽極向陰極遷移的水越多,膜陽極側(cè)水的含量越多,電流密度分布越均勻。反應(yīng)氣的流量也是影響水平衡的主要因素。當(dāng)大氣流量通過時,電極入口處的質(zhì)子交換膜會被吹干,造成電池的內(nèi)阻大幅度上升,甚至難以工作。但無論是電流密度、工作溫度還是濕化程度對水平衡的影響都不是獨立的,而實際工作條件最終決定燃料電池中的水平衡狀況。4燃料電池水管理方法在實際工作狀態(tài)下,隨著放電電流的增加,從陰極側(cè)遷向陽極側(cè)的水量總是小于從陽極側(cè)遷向陰極側(cè)的水量,從而導(dǎo)致膜的陽極側(cè)脫水,使膜中水失去平衡。為了建立新的水平衡,必須進行有效的水管理。目前,通常采用調(diào)節(jié)反應(yīng)氣的濕度,改進電池構(gòu)造,改進MEA結(jié)構(gòu),優(yōu)化電池內(nèi)部傳質(zhì)過程,改進流場分布強化傳質(zhì)等,從而實現(xiàn)有效的水管理。3熱管理燃料電池中約有40%～50%的能量耗散為熱能,從而使電池溫度升高,電解質(zhì)膜脫水、收縮甚至破裂,因此,燃料電池中的熱管理問題(即能量平衡問題)也是影響電池性能的關(guān)鍵因素之一。燃料電池中的熱量來源有四個,它們是:(1)由于電池的不可逆性而產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱;(2)由于歐姆極化而產(chǎn)生的焦耳熱;(3)加濕氣體帶入的熱量;(4)吸收環(huán)境輻射熱量。其中,由于電池的不可逆性產(chǎn)生的廢熱的比例能占到轉(zhuǎn)化的化學(xué)能的60%甚至更多。為了不使產(chǎn)生的廢熱造成電池的過熱而影響電池的性能及各個電池部件的安全運行和壽命,必須采用有效的散熱方式及時地排除這些熱量。通常,燃料電池的尾氣帶走一部分熱量,在電池外表面由自然對流帶走一部分熱量,但這兩種方式所帶走的熱量只占總廢熱量的一小部分,達不到除熱的預(yù)期效果。PEMFC的排熱方法一般是在電堆內(nèi)部采用表面加工有槽道的冷卻板。選用冷卻介質(zhì)時要考慮很多因素,除了要有良好的傳熱特性之外,還應(yīng)具有優(yōu)良的材料相容性(特別是對燃料電池所使用的密封膠)和介電特性(防止泄漏后可能對電氣性能的破壞)。水是目前普遍應(yīng)用的冷卻工質(zhì)。為了進一步提高冷卻效果,應(yīng)用沸點較低的有機介質(zhì)可能是一種有競爭性的技術(shù)。大連化學(xué)物理研究所已用乙醇為工質(zhì),開展了實驗研究并取得了較好的效果。同時,合理的冷卻通道排列方式,合理的冷卻流體的流動條件和各流道中流量分配的均勻性,也是提高整個燃料電池冷卻系統(tǒng)效率的有效途徑。由于質(zhì)子交換膜燃料電池和運行環(huán)境間的較小的溫差,通常要求用強迫對流冷卻,為此需要將冷卻劑用泵送到各冷卻通道,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本,還降低了系統(tǒng)效率。因此,其他的熱管理方式也在尋求中。

結(jié)論質(zhì)子交換膜燃料電池中的水熱管理對電池性能有重要影響,并且水管理影響電池的穩(wěn)定性,熱管理影響電池的安全性。因此,進行有效的水熱管理是保證燃料電池性能、穩(wěn)定性和安全性的關(guān)鍵因素。同時,水管理與熱管理又是緊密關(guān)聯(lián)互相耦合的,它們?yōu)樘岣逷EMFC的性能和壽命起著關(guān)鍵作用。燃料電池作為航天器中的動力與能源供應(yīng)系統(tǒng),它在微重力條件下的水熱管理問題也是空間電源技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板的材料與制備如今質(zhì)子交換膜燃料電池廣泛采用的雙極板材料是無孔石墨板，正在開發(fā)表面改性的金屬板和復(fù)合型雙極板。雙極板的流場設(shè)計主要有兩類，一是加拿大巴拉德動力公司發(fā)展的多通道蛇形流場；二是目前各國為降低電池成本，減化生產(chǎn)工藝，正在開發(fā)的由網(wǎng)狀物或多孔體構(gòu)成的混合流場。本文綜述了金屬板、石墨板及復(fù)合流場板的材料及制法，金屬板的表面改性，石墨板的透氣性等，為雙極板的研究提供參考1，機加工碳（石墨）板無孔石墨板一般由碳粉或石墨粉與可石墨化的樹脂制備。石墨化的溫度通常高于(2500℃)石墨化須要按照嚴(yán)格的升溫程序進行，而且時間很長，這一制造過程導(dǎo)致無孔石墨板價格高昂。最初采用高溫?zé)Y(jié)的碳板遇到的主要問題是氫氣的滲透問題，為了解決這個問題，除了鱗片狀石墨薄片外，其他材料幾乎都研究過，在真空條件下注入一種低粘度的環(huán)氧樹脂以減少氣體的滲透率。在石墨板上機械加工的流場也是費工時而高價格的，約占整個燃料電池費用的60%~70%，而且?guī)砗芏鄦栴}，特別是在高度研磨的天然碳粉里加入加強纖維后，傳統(tǒng)的機加工已不能實用，因而有人采用了激光切削、電腦刻繪、模壓等方法，流場圖案基本上15min可以完成，大大提高了流場的制備速度，降低了成本。厚度約為3mm，電極與流場板直接接觸，其密封結(jié)構(gòu)是在碳紙上模壓成溝槽放入墊圈密封即線密封，這是由于碳板的強度差，必須要降低組裝力的緣故。2，注塑的石墨板或碳板為降低石墨雙極板的制備成本，目前主要采用石墨粉或碳粉與樹脂（酚醛樹脂，環(huán)氧樹脂等）、導(dǎo)電膠等粘接劑相混合，采用注塑、漿注等方法來制備雙極板，有的還在混合物中加入金屬粉末、細金屬網(wǎng)以增加其導(dǎo)電性，有的在混合物中加入碳纖維、陶瓷纖維以增加其強度，不同之處在于石墨粉與樹脂的含量、處理的溫度、板的結(jié)構(gòu)等方面。3，金屬板用金屬材料作雙極板，易于批量生產(chǎn)，金屬雙極板通過機械加工的方法，可以加工成各種流場，也有采用沖壓的方法來加工流場。世界各國主要采用鋁板、黃銅、鋁合金板、鈦板及不銹鋼板等。其厚度約為3~5mm，加工量大，費用高且體積大、質(zhì)量重。密封結(jié)構(gòu)采用橡皮或四氟材料等來密封，匹配材料采用金屬網(wǎng)、石墨油氈、金屬泡沫等，此種方法僅限于實驗研究。燃料電池的發(fā)展前景燃料電池的發(fā)展前景燃料電池發(fā)電裝置每發(fā)電1000kw/h排出污染物<1盎司，而常規(guī)燃燒裝置為25磅。據(jù)統(tǒng)計，2005年全球擁有50萬個固定的（靜止式）燃料電池裝置，到2010年，將有250萬戶家庭使用燃料電池，同時全球擁有60萬臺燃料電池汽車，占世界汽車生產(chǎn)量的1%。2005年，從事燃料電池開發(fā)的公司總投資額已超過10億美元。預(yù)計到2010年左右，燃料電池在價格上將具備與內(nèi)燃機競爭的能力。屆時，美國市場上以燃料電池為動力的機動車將占美國汽車市場4%的份額，日本和西歐燃料電池汽車將分別占市場份額的4.5%和3.7%，到2020年，燃料電池汽車將占世界汽車市場的25%。表1列出美國新一代運輸用汽車市場價值。表1.美國新一代運輸用汽車市場價值，百萬美元199820002001200220072002~2007年年均增長率，%燃料電池汽車混合型汽車全電動汽車合計0.552.501984.001987.051.10198.92264.02464.01.10453.752721.703176.552.25719.002707.703428.9547.62293.03627.05967.611.7燃料電池汽車市場雖還不大，美國2002年為225萬美元，但后5年內(nèi)，年均增長率為84%，2007年將達到4760萬美元。大多數(shù)汽車制造商都看好質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池汽車技術(shù)，另外，固體氧化物燃料電池在輔助動力應(yīng)用中也可望起重要作用。車載燃料電池組件市場現(xiàn)為12000萬美元，但今后5年內(nèi)，預(yù)計年均增長率為91%。據(jù)PricewaterhiuseCoopers（PwC）公司估計，全球燃料電池市場到2011年將達到350億美元。另據(jù)ABI公司的保守估計，到2013年全球燃料電池市場將達380億美元。據(jù)SRI咨詢公司預(yù)測，2008年燃料電池市場約50億美元，到2013年預(yù)計市場價值將達456億美元。靜止式燃料電池市場將從2008年20億美元增大到2013年100億美元，便攜式燃料電池2013年市場將達250億美元，汽車燃料電池市場將從2008年6億美元增大到2013年100億美元。5.1PEMFC在便攜式電源方面的應(yīng)用發(fā)展PEMFC作為移動式電源的應(yīng)用領(lǐng)域分為兩大類：一是可用作便攜式電源、小型移動電源、車載電源等。適用于軍事、通訊、計算機等領(lǐng)域，以滿足應(yīng)急供電和高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。實際應(yīng)用是手機電池、筆記本電腦等便攜電子設(shè)備、軍用背負式通訊電源、衛(wèi)星通訊車載電源等。二是用作自行車、摩托車、汽車等交通工具的動力電源，以滿足環(huán)保對車輛排放的要求。從目前發(fā)展情況看，PEMFC是技術(shù)最成熟的電動車動力電源。根據(jù)各國的社會、工業(yè)環(huán)境以及能源供需的不同，每個國家質(zhì)子交換膜燃料電池在電動車的發(fā)展方向是不同的，美國和日本主要研究集中在燃料電池轎車方向，歐洲主要研究燃料電池公共汽車，中國的燃料電池腳踏車和輕型燃料電池轎車有很大前景。其中影響最大的開發(fā)項目有兩個：一個是由美國DOE組織的國家PEMFC研究機構(gòu)，一個是以加拿大Ballard動力公司的技術(shù)為支持、由奔馳、福特等公司支持的PEMFC電動汽車項目。在2003年，F(xiàn)olkessonetal.通過歐洲清潔城市運輸計劃(CUTE)完成了混合燃料電池城市公共汽車的評估，這個計劃的目標(biāo)是設(shè)計并建立混合燃料電池公共汽車示范車，它由歐洲無核能源規(guī)劃和一些企業(yè)及院校聯(lián)合提供資金支持。目前，豐田汽車公司宣布投資8億美元開發(fā)非石油燃料發(fā)動機，即氫燃料電池汽車。Greencar是美國EnergyPartners公司在DOE的支持下于1993年開發(fā)出的世界上第一輛PEMFC驅(qū)動的“綠色汽車”，該車的功率為15kW，0～30m/h的加速時間為10s,最高時速達60m/h，一次充氫行駛里程為96km。2004年，Hwangeta1.發(fā)布了PEMFC電動腳踏車示范車的測試結(jié)果，研究腳踏車的動機是因為在中國每日上下班普遍騎助力腳踏車。燃料電池系統(tǒng)由燃料電池堆棧、金屬氫化物容器、空氣泵、電磁閥門、冷卻風(fēng)扇、壓力和溫度傳感器和微處理器組成。電堆由40片單電池組成，其額定功率和最大功率分別為303W(0.7V)和378W(0.66V)。電堆不僅驅(qū)動腳踏車的電動馬達還為其它子系統(tǒng)提供能量。在此結(jié)果的基礎(chǔ)上，他們開始研發(fā)兩座位的輕型燃料電池車，盡管成功完成了示范車，但還沒能解決一些經(jīng)濟和技術(shù)問題。國內(nèi)燃料電池的研發(fā)起步并不晚，甚至可以追溯到1958年，然而發(fā)展很慢，直到90年代才開始加快發(fā)展。目前燃料電池動力系統(tǒng)發(fā)展趨勢很好，已具有從過去單電堆研究發(fā)展到帶有支持系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的研發(fā)能力。國內(nèi)燃料電池汽車領(lǐng)域已經(jīng)取得了較大的進展，其中首臺50kW燃料電池城市客車發(fā)動機已經(jīng)研制成功，首臺四輪驅(qū)動燃料電池轎車也在2002年12月初舉行的上海工業(yè)博覽會上亮相，但距真正的實際運用還有一段距離。近年來，我國對燃料電池電動車的研發(fā)也極為重視，被列入國家重點科技攻關(guān)計劃,在2009年2月財政部公布的《節(jié)能與新能源汽車示范推廣財政補助資金管理暫行辦法》中,曾明確對購買燃料電池汽車每輛可補貼25萬元。上海神力公司、富原燃料電池有限公司、清華大學(xué)、中科院大連化物所已分別研制出游覽觀光車、中巴車樣車，其性能接近或達到國際先進水平。2PEMFC在固定式電源方面的應(yīng)用發(fā)展PEMFC除適用于作為交通電源外，也非常適合用于固定式電源。既可與電網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)，用于調(diào)峰也可作為獨立電源，用作海島、山區(qū)、邊遠地區(qū)、或作為國防（人防）發(fā)供電系統(tǒng)電源。采用多臺PEMFC發(fā)電機聯(lián)網(wǎng)還可構(gòu)成分散式供電系統(tǒng)。分散式供電系統(tǒng)有很多優(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，可就近安裝，PEMFC發(fā)電所產(chǎn)生的熱可進入供熱系統(tǒng)），可使燃料總利用率高達80%以上。３）戰(zhàn)爭和自然災(zāi)害等影響比較小，尤其適宜于現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下的主動防護需要。４）通過天燃氣、煤氣重整制氫，可利用現(xiàn)有天燃氣、煤氣供氣系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施為PEMFC提供燃料，通過再生能源制氫（電解水制氫、太陽能電解制氫、生物制氫）則可形成循環(huán)利用系統(tǒng)（這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于邊遠地區(qū)、人所），使系統(tǒng)建設(shè)成本和運行成本降低。國際上普遍認為，隨著燃料電池的推廣應(yīng)用，發(fā)展分散型電站將是一個趨勢。華南理工大學(xué)獨立研發(fā)的300kw質(zhì)子交換膜燃料電池示范電站于2009年年底已悄悄啟用，項目投資1850萬元，占地僅2000平方米,是一個“微型”的發(fā)電廠。該發(fā)電廠徹底顛覆傳統(tǒng)煤電模式，能量利用率可達90%。目前這一項目已得到華電、粵電的“青睞”,相關(guān)部門正在洽談在大學(xué)城建設(shè)一個6000～10000千瓦燃料電池發(fā)電廠，而華工的教授也計劃將廣州的公交車能源更換為燃料電池。3PEMFC在軍事方面的應(yīng)用發(fā)展隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，