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1、质子交换膜燃料电池及其特点与应用浅析作者： 桂观群 黄 磊 黄斌香 来源：新材料产业 2013年第2期文/ 桂观群 黄 磊 黄斌香上海金由氟材料有限公司能源不仅是社会发展和经济增长的动力，而且也是综合国力、文明发达程度以及人民生活 水准的重要指标。与能源密切相关的环境保护已成为人类社会实现可持续发展的核心之一。我 国提出的节能减排战略，是落实科学发展观的重要任务。当今世界各国，能量转化绝大部分都是通过热机过程来实现的。而所有热机过程都存在一 个卡诺循环的限制，即不但转化效率低，造成能源浪费，而且还不可避免地伴随大量的粉尘、 硫化物（S O X）、氮化物（N 0 x）和二氧化碳（C 02）等空气
2、污染物的产生，威胁人类的生 存环境。随着技术的进步，非热机能量转化装置应运而生，其中，燃料电池就是其中一种。燃 料电池将化学能转化为电能，不但节约能源，而且对环境友好，具有很好的发展前景。燃料电 池种类繁多，包括质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、金属空 气电池等。其中，质子交换膜电池因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高，同时具备清洁、高效、 环保等特性，成为研究的热点。本文将着重分析质子交换膜燃料电池的工作原理，对质子交换 膜燃料电池的特点以及应用进行介绍。一、质子交换膜燃料电池的工作原理自20世纪初里德（J.H.Reid）开创了燃料电池的研究以来，燃料电池技术发展至
3、今仅有 100多年历史，而用质子交换膜燃料电池作驱动力的则只是近50多年的事。燃料电池包括不同 类型，其电极反应不尽相同，但是，燃料电池均由阴极、阳极和电解质等几个单元组成，工作 原理基本一致。质子交换膜燃料电池的工作原理可以简述如下：燃料气（如氢气、甲烷等）通过阳极催化 剂作用在阳极发生氧化反应，生成阳离子并伴随自由离子产生；氧化物一般为氧气，在阴极催 化剂的作用下，氧化物在阴极发生还原反应，得到电子并生成阴离子。在阳极催化层中的氢气 （H2）通过催化剂作用，发生如式（1）所示的电极反应。H22H+2e-（ 1）该反应中产生的电子经过外电路到达阴极，氢离子经过电解质（例如质子交换膜燃料电池
4、中的质子膜）到达阴极。氧气与氢离子及电子在阴极下发生如式（2）所示的反应，反应中生成 的水通过电极随反应尾气排出。02+2H+2e-H20（2）通过上述分析可知，质子交换膜燃料电池的组件包括：电极（阴极和阳极）、电催化剂、 电解质（质子交换膜）和双极板，此外还有许多局部配件。质子交换膜燃料电池的工作原理见图 1所示。就电化学原理而言，质子交换膜燃料电池与一般通用的电池一样，都是基于电化学原理， 将化学能直接转换成电能。但是，二者又有本质的区别。质子交换膜燃料电池的燃料和氧化剂 不是贮存在电池内，而是贮存在电池外部的贮罐中。在电池工作即向外输出电流并且作力时， 需要不断地向电池内输入燃料（例如氢
5、、氧和氧化剂），同时排出反应产物。从这一点来说， 质子交换膜燃料电池类似于常规的汽油发电机或柴油发电机。二质子交换膜作为质子交换膜燃料电池核心组件之一的质子交换膜成为质子交换膜燃料电池研究的热点。 聚四氟乙烯（ P T F E ）微孔膜由于具有非常高的尺寸和化学稳定性，被用来作为复合质子交换 膜的增强基底。P T F E双向拉伸微孔膜由于强度较高和孔隙率大，应用更为广泛。其表观上呈乳白色半 透明状，膜厚（20-50u m左右）相对较小，常用微孔膜的孔径在0.3卩m以上，孔隙率80% 左右。微孔P T F E增强复合质子交换膜是由P T F E微孔膜和聚合物电解质复合而成的。P T F E微孔膜
6、作为基底材料，具有保持复合膜机械强度和化学稳定性的作用，而填充在PTFE微孔 中的聚合物电解质则起质子传导作用。微孔P T F E增强复合质子交换膜具有显著的优点： P T F E微孔膜有良好的机械强度和化学稳定性且不易发生溶胀，可以避免由于催化层 与常规质子交换膜材料溶胀程度不同而造成的催化层和膜剥离现象的出现； 可以通过改变P T F E膜的孔径和孔隙率来调节复合膜的气体或甲醇渗透率以及质子传 导率； 由于P T F E微孔膜的稳定性，使得一些成膜时强度差、发脆的聚合物电解质材料的使 用性得到提高，因此可供选择的电解质材料的范围也就得到扩大。三、质子交换膜燃料电池的特点质子交换膜燃料电池有
7、多方面优越性，如高效、节能、环保、可靠和运行安静。1. 高效质子交换膜燃料电池的首要特点是高效。由于不经过热机过程，即不受卡诺循环的限制， 因此质子交换膜燃料电池在理论上其热电转化效率可达85%90%，实际上达40%60%。而热机 的效率只有30%34%。2. 环境友好质子交换膜燃料电池的另一个显著优点是环境友好。从理论上来说，当质子交换膜燃料电 池用的燃料是富氢气体时，其不仅能量转换效率高，而c 02的排放量比热机过程减少40%。由 于质子交换膜燃料电池是按电化学原理来获得电能的，所以几乎不排放S O x和N O x,这样 就大大减轻了对大气的污染。当质子交换膜燃料电池用纯氢气作燃料时，其反
8、应产物仅仅为水 更从根本上消除了 S O x、N O x和C O2等污染物的排放。另外，质子交换膜燃料电池不采用 热机过程，其固态（土渣、颗粒排放物）污染物和液态污染物的排放量也大大减少，所以质子 交换膜燃料电池的环保作用十分明显。3. 使用可靠质子交换膜燃料电池与热机相比，运动部件大为减少，这一特点大大提高了工作的可靠性 而且维修工作量相对减少，当然对维护管理的要求更为严格。4. 运行安静质子交换膜燃料电池在运行时很安静，噪声很低，有利于环境质量的提高。众所周知，噪 声对人体的危害很严重。许多检测结果表明，在40kW磷酸电站4.6m距离处的噪声是60d B ； 而4.5MW和11M W的大功
9、率磷酸燃料电池电站的噪声也达到不高于55d B的水平，这一水平对 人体感觉来说已很安静。相比蒸汽机、透平机和内燃机，这些装置的噪声水平要比质子交换膜 燃料电池高得多。四、质子交换膜燃料电池的应用1. 在电动汽车上的应用质子交换膜燃料电池在电动车上的成功应用，是燃料电池商业运用的一个亮点。巴拉德汽 车、戴姆勒奔驰汽车已成功将质子交换膜燃料电池应用于汽车。表1是第一代电动车用质子 交换膜燃料电池的相关数据。OFT”2. 在军事领域的应用质子交换膜燃料电池的另一个重要应用领域是军事领域。目前世界各国装备海军潜艇的动 力源是以柴油发电机和铅酸蓄电池组成的动力装置。即在水面时开动柴油发动机，潜水下时启
10、用蓄电池。质子交换膜燃料电池因其具有突出的优点，被用作潜艇的动力源在技术上是理想选 择。采用质子交换膜燃料电池为动力源的潜艇续航能力是瑞典的斯特林潜艇长1倍以上，而且 这种发动机几乎无噪声，潜艇的隐蔽性能更好。3. 在航天领域的应用质子交换膜燃料电池在航天领域有十分重要的应用前景。20世纪60年代，美国首先将质 子交换膜燃料电池用于双子星座的航天飞行。除此之外，质子交换膜燃料电池在水下机器人、野外用的通讯、指挥等装备上也有十分重 要的应用。五、结语 质子交换膜燃料电池具有高效、环境友好、使用可靠、安静等特点。随着技术的不断提高 和成本的不断降低，质子交换膜燃料电池在未来的应用前景非常可观。10
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