PEMFC電源系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

早在1995年，美國總統(tǒng)辦公廳科技政策辦公室公布的國家關(guān)鍵技術(shù)報告中，就將燃料電池列入維護(hù)國家經(jīng)濟(jì)繁榮的至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。同年，美國《時代周刊》也將燃料電池列為21世紀(jì)10大高新技術(shù)之首。美國喬治•華盛頓大學(xué)未來學(xué)家評出的未來10年10大技術(shù)突破中,燃料電池位于網(wǎng)絡(luò)生活之后列第 2位。從擔(dān)任沙特阿拉伯石油部長達(dá)20年的現(xiàn)任全球能源中心主任雅瑪尼，到依賴石化燃料驅(qū)動的內(nèi)燃機(jī)而創(chuàng)造了汽車世紀(jì)的美國福特汽車公司現(xiàn)任董事長比里 •福特，這些傳統(tǒng)能源的生產(chǎn)者和使用者都相信燃料電池技術(shù)將帶來石油時代和內(nèi)燃機(jī)的終結(jié)，人類將進(jìn)入可持續(xù)發(fā)展的綠色能源新時代。燃料電池已被國際著名刊物《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》和《世界觀察》等列為21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的三大支柱之一。正是由于上述原因，目前已掀起全球范圍的燃料電池關(guān)鍵技術(shù)研究、樣品開發(fā)及示范應(yīng)用熱潮[1]。而在幾種主要的燃料電池(質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池)中，質(zhì)子交換膜燃料電池具有無腐蝕、壽命長，重量輕、體積小、比功率大，操作溫度低和起動快等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最有

2 質(zhì)子交換膜燃料電池及其系統(tǒng)

2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理

燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。其工作原理與普通電池基本相同,也是通過電化學(xué)反應(yīng)把物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｋ煌氖?傳統(tǒng)電池是事先填充好內(nèi)部物質(zhì),化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后,不能再釋放出電能;而燃料電池進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所需的物質(zhì)是由外部不斷填充的,只要供應(yīng)燃料,就能源源不斷地輸出電能和熱能。簡言之，普通電池是能量儲存裝置，而燃料電池是能量轉(zhuǎn)換裝置[2]。
　　
質(zhì)子交換膜燃料電池主要有氫燃料電池、甲醇重整燃料電池和直接甲醇燃料電池三種。目前，尤以氫燃料電池倍受電源研究開發(fā)人員的注目。其工作原理如圖1所示：在電池的一端,氫氣通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽極，在陽極催化劑作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子(即質(zhì)子)并釋放出帶負(fù)電的電子。即：H2→2H++2e-；反應(yīng)生成物中,氫離子穿過陽極和陰極之間的固體電解質(zhì)膜到達(dá)陰極,電子則通過外電路到達(dá)陰極。在電池另一端，氧氣(或空氣)通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極。在陰極催化劑作用下，氧氣與氫離子及電子發(fā)生反應(yīng)生成水。即：1/2O2+2H++2e-→H2O；總的化學(xué)反應(yīng)為：H2+1/2O2→H2O。連續(xù)不斷地向電池輸送氫氣和氧氣, 電子就會在外電路連續(xù)運(yùn)動形成電流,從而可以向負(fù)載輸出電能。從以上可以看出,氫燃料電池的生成物是對環(huán)境無害的純水,因此,使用氫燃料電池作動力源,不會造成大氣污染。

圖1　 PEMFC工作原理示意圖  
 
圖2　 典型的PEMFC系統(tǒng)示意圖

2.2 質(zhì)子交換膜燃料電池電源系統(tǒng)的構(gòu)成

PEMFC電源系統(tǒng)除了核心部分電池堆外，還需要一些輔助系統(tǒng)才能正常工作。圖2是典型的PEMFC系統(tǒng)示意圖[3]。整個系統(tǒng)除了電池堆外，必備的系統(tǒng)還包括：燃料供給系統(tǒng)、氧化劑及其循環(huán)系統(tǒng)、水／熱管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。燃料和氧化劑循環(huán)系統(tǒng)的功能是向電推提供燃料氧化劑，同時循環(huán)回收反應(yīng)未完全的氣體；水／熱管理系統(tǒng)主要是保證電池堆內(nèi)部的水／熱平衡狀態(tài)；控制系統(tǒng)則根據(jù)負(fù)載對電池功率的要求，或電池的工作條件(壓力、溫度、電壓的變化)，對反應(yīng)氣體的流量、壓力、水／熱循環(huán)系統(tǒng)的水流速和溫度等進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)；它們是燃料電池正常工作的保證[4]。這就是燃料電池發(fā)動機(jī)。

2.2.1 燃料電池(堆)

膜電極是PEMFC的核心,由氣體擴(kuò)散層、催化劑層和質(zhì)子交換膜組成.催化劑是將鉑分散成微小顆粒負(fù)載在高比表面的碳黑或石墨上,形成含量為20%的 Pt/C催化劑.鉑是貴金屬,資源稀少、價格昂貴。早期的膜電極Pt的載量為10mg/cm2以上,Pt的利用率很低.直到90年代,薄膜電極的出現(xiàn),使 Pt載量大幅度降低[5,6]。近年來,隨著催化劑制備方法的深入研究,膜電極的Pt載量已降低至0.02mg/cm2,電性能亦得到提高.進(jìn)一步降低載鉑量,尋找其它價廉的催化劑,一直是PEMFC研究的主要課題之一。

PEMFC不同于其它燃料電池之處就在于使用固態(tài)的質(zhì)子交換膜作電解質(zhì)。 20世紀(jì)60年代,美國GE公司為NASA研制的空間電源采用了聚苯乙炔磺酸膜,其穩(wěn)定性、導(dǎo)電性均不理想,使用壽命也短。60年代中期,美國杜邦公司研制出新型全氟磺酸膜(Nafion系列材料)將PEMFC性能大幅度提高。目前在PEMFC中使用的質(zhì)子交換膜[7]均采用全氟化聚合物材料合成.該材料穩(wěn)定性好、使用壽命長，但其制造成本過高,售價昂貴(約為600～800$/m2)。因此質(zhì)子交換膜的研究,一是減少質(zhì)子交換膜的用量,朝薄型電解質(zhì)發(fā)展；二是研制新型價廉的質(zhì)子交換膜。

2.2.2 燃料及其循環(huán)系統(tǒng)

PEMFC的燃料可選用純氫或碳?xì)浠衔?如果電池以純氫為燃料,則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單,僅由氫源、穩(wěn)壓閥和循環(huán)回路組成,其中氫源可采用壓縮氫、液氫或金屬氫化物儲氫；穩(wěn)壓閥控制燃料氣的壓力；循環(huán)回路用以循環(huán)利用過量的燃料氣，燃料氣的過量一方面是保證電化學(xué)反應(yīng)的充分進(jìn)行,另一方面也可以部分起到保持水平衡的作用,通常是采用一個循環(huán)泵或噴射泵將這部分氫送回到電池燃料氣的入口處,在這種情況下,可認(rèn)為由氫源系統(tǒng)所提供的氫100%被用來發(fā)電。
　　
如果PEMFC以碳?xì)浠衔餅槿剂希瑒t該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要相對復(fù)雜的多，其中至要包括一個燃料處理器，用來將燃料或燃料與水的混合物轉(zhuǎn)換成蒸氣，這類轉(zhuǎn)換氣包括大部分氫、二氧化碳、水和微量的一氧化碳。另外，隨燃料處理器的不同，轉(zhuǎn)換器 中可能還有氮?dú)狻１仨氈赋龅氖?，在任何PEMFC系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換器中的惰性氣體和其它氣體都將不同程度的影響電池的性能。由于PEMFC的工作溫度通常在100。C以下，在典型的PEMFC系統(tǒng)中，CO很容易吸附在鉑催化劑上，引起催化劑中毒，導(dǎo)致電池性能下降。因而，必須將轉(zhuǎn)換氣中的CO濃度控制在100