燃料電池的研究現(xiàn)狀及展望

　　摘 要：介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的結(jié)構(gòu)、原理、特點及應(yīng)用情況，重點闡述了PEMFC的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上探討了PEMFC的發(fā)展趨勢。
　　關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；雙極板；電極；催化劑 　　
　　1 質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)及原理
　　
　　按照電解質(zhì)的不同可將燃料電池分為磷酸燃料電池、堿性燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等五類。PEMFC單電池由質(zhì)子交換膜、氣體擴散電極、雙極板等構(gòu)成，圖1是其結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。
　　
　　PEMFC的基本工作過程如下：
　?。?）氫氣通過雙極板上的導(dǎo)氣通道到達(dá)電池的陽極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子；
　?。?）氫離子以水合質(zhì)子H+（xH2O）的形式通過電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，電子在陽極側(cè)積累；
　?。?）氧氣通過雙極板到達(dá)陰極后，氧分子在催化劑的作用下變成氧離子，陰、陽極間形成一個電勢差；
　　（4）陽極和陰極通過外電路連接起來，在陽極積聚的電子就會通過外電路到達(dá)陰極，形成電流，對負(fù)載做功。同時，在陰極側(cè)反應(yīng)生成水；
　?。?）只要持續(xù)不斷地提供反應(yīng)氣體，PEMFC就可以連續(xù)工作，對外提供電能。
　　
　　2 質(zhì)子交換膜燃料電池的特點
　　
　?。?）高效率。PEMFC以電化學(xué)方式進行能量轉(zhuǎn)換，不存在燃燒過程，不受卡諾循環(huán)限制，其理論熱效率可達(dá)85-90%，目前的實際效率大約是內(nèi)燃機的兩倍。傳統(tǒng)動力源為了提高效率必須將負(fù)荷限制在很小范圍內(nèi)，而PEMFC幾乎在全部負(fù)荷范圍內(nèi)均有很高效率。
　?。?）模塊化。PEMFC在結(jié)構(gòu)上具有模塊化的特點，可根據(jù)不同動力需求組合安裝，采用“搭積木”式的設(shè)計方法簡化了不同規(guī)模電堆的設(shè)計制造過程。
　?。?）高可靠性。由于PEMFC電堆采用模塊化的設(shè)計方法，結(jié)構(gòu)簡單，易于維護。一旦某個單電池發(fā)生故障，可自動采取適當(dāng)屏蔽措施，只會使系統(tǒng)輸出功率略有下降，而不會導(dǎo)致整個動力系統(tǒng)的癱瘓。
　　（4）燃料多樣性。PEMFC動力系統(tǒng)既可以純氫為燃料，也可以重整氣為燃料。氫氣的來源可以是電解水的產(chǎn)物，也可以是對汽油、柴油、二甲醚等化石類燃料重整的產(chǎn)物。氫氣的存儲方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。
　?。?）環(huán)境友好。當(dāng)采用純氫為燃料時，PEMFC的唯一產(chǎn)物是水，可以做到零排放。以重整氣為燃料時，相對于內(nèi)燃機而言，排放也極大降低。此外，PEMFC噪聲水平也很低，各結(jié)構(gòu)部件均可回收利用。