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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.
