質(zhì)子交換膜燃料電池概述

質(zhì)子交換膜燃料電池概述【摘要】介紹了燃料電池的發(fā)展、工作原理和特點，敘述了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的國內(nèi)外研究進展和應用現(xiàn)狀，分析了燃料電池存在的問題，總結了燃料電池發(fā)電技術在新能源和電力行業(yè)中的應用現(xiàn)狀，并對質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展前景進行了展望?！娟P鍵詞】質(zhì)子交換膜；燃料電池；綜述前言國外能源機構預測隨著石油、煤炭等自然資源的日趨枯竭，21世紀將成為氫能的時代。燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒而通過電化學反應直接把燃料中的化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，最大的優(yōu)點是不受熱機卡諾循環(huán)的限制，CO、CO2、Sv2、NOX及未燃盡的有害物質(zhì)排放量極低。能量轉(zhuǎn)化率高，一般在45%左右，火力發(fā)電僅為30%左右，如果在技術上加以完善或綜合利用其效率可望達到60%以上。PEM燃料電池是繼磷酸鹽燃料電池后的第二代燃料電池。由于采用全氟磺酸膜為電解質(zhì)，以純氫或凈化重整氣為燃料，因此具有能量轉(zhuǎn)化率高、低溫啟動、無電解質(zhì)泄露等優(yōu)點，也因此被認為是繼火力發(fā)電、水力發(fā)電、核能發(fā)電之后的第四大能量轉(zhuǎn)化發(fā)電方式，它將在燃料電池電站、電動汽車、移動式電源、潛艇、航空航天技術等方面具有廣闊的應用前景。PEM燃料電池的發(fā)展20世紀60年達初，美國首次將PEM燃料電池用于“雙子星座”Gemini飛船飛行。當時，由于電解質(zhì)膜穩(wěn)定性差、電池堆壽命短、貴金屬Pt用量太高，致使PEM燃料電池在空間的應用擱置了近20年。20世紀80年代，加拿大電力公司在政府的支持下開展研究，使PEM燃料電池的性能價格比大大提高。此后，以美國、加拿大和德國為首的發(fā)達國家紛紛投入巨資開展PEM燃料電池的研究開發(fā)工作，使得PEM技術日趨成熟。這期間的研究主要集中在基礎性研究和實用性產(chǎn)品的開發(fā)。近五年來，由于可望成為未來理想的移動電源，尤其適合作為清潔汽車動力，世界各大汽車公司紛紛聯(lián)合開發(fā)車用PEM燃料電池，例如德國的戴姆萊克萊斯勒公司、美國的福特公司和加拿大的巴拉德公司組成聯(lián)盟投資10億加元成立分別控股的巴拉德動力公司DBB公司和依考斯達公司，分別負責開發(fā)燃料電池電動車用燃料電池組電池系統(tǒng)與電推進系統(tǒng)。另外，由于軍用潛艇和軍用移動電源隱蔽性的需要，各發(fā)達國家國防部門及軍方均加緊高性能PEM燃料電池技術的研究。國內(nèi)PEM燃料電池的研究熱潮興起于20世紀90年代，當時主要有中國科學院長春應用化學研究所和中國科學院大連化學物理研究所，他們著重于PEM燃料電池的高分子膜、催化劑制備等基礎研究。隨著PEM燃料電池的不斷發(fā)展和廣闊的應用前景，除了清華大學、同濟大學等院校單位外，以北京富源、上海神力為代表的公司也加入了研究行列。同時，有PEM燃料電池電堆用作汽車發(fā)動機的研究也取得很大的成就，比較突出的有同濟的“超越”一號、“超越”二號燃料電池混合動力轎車，清華大學的“清能”一號、“清能”三號燃料電池大巴等?？傊?，PEM燃料電池的研究及其應用已呈現(xiàn)出百花齊放的趨勢，我國的總體水平已接近世界先進發(fā)達水平。PEM燃料電池的原理PEM燃料電池的發(fā)電原理與化學電源一樣，電極提供電子轉(zhuǎn)移的場所，陽極催化燃料如氫的氧化過程，陰極催化氧化劑如氧等的還原過程；導電離子在將陰陽極分開的電解質(zhì)內(nèi)遷移，電子通過外電路作功并構成電的回路。但是它的工作方式又與常規(guī)的化學電源不同，而更類似于汽油、柴油發(fā)電機。它的燃料和氧化劑不是儲存在電池內(nèi)，而是儲存在電池外的儲罐中。當電池發(fā)電時，要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，排出反應產(chǎn)物，同時也要排除一定的廢熱，以維護電池工作溫度的恒定。在電池中增濕后的氫氣通過雙極板上的氣體通道穿過擴散層，到達陽極催化劑層，并吸附于電催化劑層中，然后在鉑催化劑作用下，發(fā)生反應。隨后，H+進入質(zhì)子交換膜，與膜中磺酸基（-SO3H）上的H+發(fā)生交換，使氫離子到達陰極。與此同時，陰極增濕的氧氣也從雙極板通過陰極擴散層，吸附于陰極電催化劑層中，并與交換而來的H+在鉑的催化作用下發(fā)生反應。電極反應生成的水大部分由尾氣排出，一部分在壓力差作用下通過膜向陽極擴散。總的反應式為：1/2O2+H2—H2O可見，燃料和氧化劑在PEM燃料電池隔膜的兩側分別完成半個反應的氧化還原反應。實際上，它就是一種通過電化學反應直接把燃料中的化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。PEM燃料電池的特點PEM的研究越來越受到各國的重視，這是因為它具有以下優(yōu)點：（1） 高效節(jié)能。能量轉(zhuǎn)化率高。通過氫氧化合作用，直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化率高達40%?60%。（2） 使用固體電解質(zhì)膜，可以避免電解質(zhì)腐蝕。（3） 環(huán)境友好，可實現(xiàn)零排放。其唯一的排放物是純凈水，沒有污染物排放，是環(huán)保型能源。（4） 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）。（5） 冷啟動時間短，可在數(shù)秒內(nèi)實現(xiàn)冷啟動。（6） 可靠性強，維護方便。PEMFC內(nèi)部構造簡單，無機械運動部件，工作時僅有氣體和水的流動。（7） 氫是世界上最多的元素，來源極其廣泛。但是，PEM燃料電池還存在很多問題，以致于沒能大規(guī)模商業(yè)化。主要缺點：（1）膜的價格高，生產(chǎn)所需技術高。（2）對CO敏感，需要盡可能降低燃料中CO的濃度，以避免催化劑中毒；（3）催化劑成本較高。由于以貴金屬鉑作為催化劑，因此催化劑成本較高。（4）氫氣的生產(chǎn)、儲存和運輸?shù)燃夹g目前還達不到高效、安全、可靠。（5）高溫時壽命及穩(wěn)定性不理想，以及燃料電池技術還不夠普及。5.展望盡管PEMFC具有高效、環(huán)境友好等突出優(yōu)點，但目前只能在特殊場所應用和試用。若作為商品進入市場，必須大幅度降低成本，使生產(chǎn)者和用戶均能獲利，即若作為電動車動力源，PEMFC造價應能與汽車、柴油發(fā)動機相比，若作為各種便攜式動力源，其造價必須與各種化學電源相當。參考文獻衣寶廉.燃料電池——原理?技術?應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003：18-23黃明宇，倪紅軍等.質(zhì)子交換膜燃料電池的研究與應用[J].南通大學學報（自然科學版），2005，4（4）：10-13云潔.淺論燃料電池的國內(nèi)外研究與進展[J].現(xiàn)代化工，2010（S2）張克軍.質(zhì)子交換膜燃料電池的研究進展[J].化工時刊，2008（09）許世森，朱寶田.探討我國電力系統(tǒng)發(fā)展燃料電池發(fā)電的技術路線[J].中國電力，2001，24（7）：9-12李瑛，王林山.燃料電池[M].北京：冶金工業(yè)出版社