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1、1燃料电池技术的研究现状及展望摘 要:介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的结构、原理、特点及应用情况,重点阐述了 PEMFC 的研究现状,在此基础上探讨了 PEMFC 的发展趋势。关键词:质子交换膜燃料电池;双极板;电极;催化剂 1 质子交换膜燃料电池的结构及原理 按照电解质的不同可将燃料电池分为磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等五类。PEMFC 单电池由质子交换膜、气体扩散电极、双极板等构成,图 1 是其结构与工作原理示意图。 PEMFC 的基本工作过程如下: (1)氢气通过双极板上的导气通道到达电池的阳极,氢分子在催化
2、剂的作用下解离形成氢离子和电子; (2)氢离子以水合质子 H +(xH 2O)的形式通过电解质膜到达阴极,电子在阳极侧积累; (3)氧气通过双极板到达阴极后,氧分子在催化剂的作用下变成氧离子,阴、阳极间形成一个电势差; (4)阳极和阴极通过外电路连接起来,在阳极积聚的电子就会通过外电路到达阴极,形成电流,对负载做功。同时,在阴极侧反应生成水; (5)只要持续不断地提供反应气体,PEMFC 就可以连续工作,对外提供电能。22 质子交换膜燃料电池的特点 (1)高效率。PEMFC 以电化学方式进行能量转换,不存在燃烧过程,不受卡诺循环限制,其理论热效率可达 85-90%,目前的实际效率大约是内燃机的
3、两倍。传统动力源为了提高效率必须将负荷限制在很小范围内,而 PEMFC 几乎在全部负荷范围内均有很高效率。 (2)模块化。PEMFC 在结构上具有模块化的特点,可根据不同动力需求组合安装,采用“搭积木”式的设计方法简化了不同规模电堆的设计制造过程。 (3)高可靠性。由于 PEMFC 电堆采用模块化的设计方法,结构简单,易于维护。一旦某个单电池发生故障,可自动采取适当屏蔽措施,只会使系统输出功率略有下降,而不会导致整个动力系统的瘫痪。 (4)燃料多样性。PEMFC 动力系统既可以纯氢为燃料,也可以重整气为燃料。氢气的来源可以是电解水的产物,也可以是对汽油、柴油、二甲醚等化石类燃料重整的产物。氢气
4、的存储方式可以是高压气罐、液氢、金属氢化物等。 (5)环境友好。当采用纯氢为燃料时,PEMFC 的唯一产物是水,可以做到零排放。以重整气为燃料时,相对于内燃机而言,排放也极大降低。此外,PEMFC 噪声水平也很低,各结构部件均可回收利用。 3 研究现状 3.1 关键部件 电解质膜、双极板、催化剂及气体扩散电极是质子交换膜燃料电池的四大关键部件。 电解质膜是 PEMFC 的核心部件,它直接影响燃料电池的性能与寿命。1962 年美国杜邦公司研制成功全氟磺酸型质子交换膜,1966 年开始用于燃料电池,其商业型号为 Nafion,至今仍广泛使用。但由于 Nafion 膜成本较高,各国科学家正在3研究部
5、分氟化或非氟质子交换膜。 双极板在 PEMFC 中起着支撑、集流、分割氧化剂与还原剂并引导气体在电池内电极表面流动的作用,目前广泛采用的是以石墨为材料,在其上加工出引导气体流动的流场,基本流场形式有蛇形、平行、交指及网格状等。 铂基催化剂是目前性能最好的电极催化剂,为提高利用率,铂以纳米级颗粒形式高分散地担载到导电、抗腐蚀的担体上,目前广泛采用的担体为乙炔炭黑,比表面积约为 250m2/g,平均粒径为 30nm。 PEMFC 的气体扩散电极由两层构成,一层为起支撑作用的扩散层,另一层为电化学反应进行的场所催化层。扩散层一般选用炭材如石墨化炭纸或炭布制备,应具备高孔隙率和适宜的孔分布,不产生腐蚀
6、或降解。根据制备工艺和厚度不同,催化层分为厚层憎水、薄层亲水及超薄三种类型。 3.2 测控系统 PEMFC 的工作性能受多种因素(温度、压力等)的影响,为确保 PEMFC 正常运行,提高其可靠性和有效性,就必须监测各个影响因素。即运用有效的措施来连续监测 PEMFC 运行的关键或重要状态,并对收集到的信息进行必要的分析和处理,以便做到故障预测和及时诊断,为 PEMFC 管理系统提供依据。目前,进行PEMFC 测试系统相关方面研究的公司和机构众多,但仍没有制定出有关 PEMFC测试的国际标准和相应的标准测试设备,不过已有实用的测试系统投入使用。加拿大 Hydrogenics 公司的燃料电池测试站
7、(FCATS)、美国 Arbin 公司的集成燃料电池测试系统(FCTS)是其中的突出代表。 4 质子交换膜燃料电池的应用 4质子交换膜燃料电池是目前各种燃料电池中实用程度较高的一类。其优越性不仅限于能量转换效率高、工作温度低,还体现在其可在较大的电流密度下工作,适宜于较频繁启动的场合。因此世界各大汽车生产厂商一致看好其在汽车工业中的应用前景,PEMFC 已成为现今燃料电池汽车动力的主要发展方向。目前,通用、丰田等世界上知名的汽车公司,都在积极开发以 PEMFC 系统为动力源的 PEMFC电动车,曾先后推出各种类型的样车,并进行 PEMFC 电动车队的示范运行。PEMFC 电动车以其优异的性能和
8、环境污染很少等突出特点引起了人们的普遍关注,甚至被认为将是 21 世纪内燃机汽车最为有力的竞争者。 此外,在航空航天特别是无人飞行器领域,以及家庭电源、分散电站、移动电子设备电源、水下机器人及潜艇不依赖空气推进电源等方面也有广泛应用前景。5 质子交换膜燃料电池的发展趋势 在关键部件方面,围绕电解质膜、催化剂及双极板的研究方兴未艾。全氟型磺酸膜价格昂贵,开发非全氟的廉价质子交换膜是今后的研究方向。近年来,新型质子交换膜的的研究热点是开发能够在 100以上使用的高温电解质膜。在催化剂方面,研制高性能抗 CO 中毒电极催化剂是最紧迫的任务,此外,还要寻找非贵金属氮化物或碳化物作为现有铂催化剂的替代。
9、目前广泛使用的石墨板具有较好的耐腐蚀能力和较高的热导率,但成本较高,加工难度大,强度、电导率和可回收性均不如金属板。金属板目前急需解决的问题是表面处理,以提高其耐腐蚀能力。复合材料双极板则结合了纯石墨板和金属板的优点,具有耐腐蚀、体积小、质量轻、强度大及工艺性良好等特点,是未来发展的趋势。 在电堆方面,今后的研究重点将是使电堆中的电池单元的性能接近于单电池5的性能,这就需要对电堆的结构进行优化,保证电堆中每一片电池单元的整个活性面积处于一致的操作环境,并优化水、热管理,改善电流密度分布的均匀性。 参考文献 1 李兴虎.电动汽车概论M.北京:北京理工大学出版社,2005:9-22. 2 黄敏.质子交换膜燃料电池堆电气性能试验研究J.电源技术,2007,31(5):361-363.