燃料電池技術的研究現狀及展望

摘 要：介紹了質子交換膜燃料電池（PEMFC）的結構、原理、特點及應用情況，重點闡述了PEMFC的研究現狀，在此基礎上探討了PEMFC的發展趨勢。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池；雙極板；電極；催化劑

中圖分類號：F30文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）04-0296-02

1 質子交換膜燃料電池的結構及原理

按照電解質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子交換膜燃料電池（PEMFC）等五類。PEMFC單電池由質子交換膜、氣體擴散電極、雙極板等構成，圖1是其結構與工作原理示意圖。

PEMFC的基本工作過程如下：

（1）氫氣通過雙極板上的導氣通道到達電池的陽極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子；

（2）氫離子以水合質子H+（xH2O）的形式通過電解質膜到達陰極，電子在陽極側積累；

（3）氧氣通過雙極板到達陰極后，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陰極，形成電流，對負載做功。同時，在陰極側反應生成水；

（5）只要持續不斷地提供反應氣體，PEMFC就可以連續工作，對外提供電能。

2 質子交換膜燃料電池的特點

（1）高效率。PEMFC以電化學方式進行能量轉換，不存在燃燒過程，不受卡諾循環限制，其理論熱效率可達85-90%，目前的實際效率大約是內燃機的兩倍。傳統動力源為了提高效率必須將負荷限制在很小范圍內，而PEMFC幾乎在全部負荷范圍內均有很高效率。

（2）模塊化。PEMFC在結構上具有模塊化的特點，可根據不同動力需求組合安裝，采用“搭積木”式的設計方法簡化了不同規模電堆的設計制造過程。

（3）高可靠性。由于PEMFC電堆采用模塊化的設計方法，結構簡單，易于維護。一旦某個單電池發生故障，可自動采取適當屏蔽措施，只會使系統輸出功率略有下降，而不會導致整個動力系統的癱瘓。

（4）燃料多樣性。PEMFC動力系統既可以純氫為燃料，也可以重整氣為燃料。氫氣的來源可以是電解水的產物，也可以是對汽油、柴油、二甲醚等化石類燃料重整的產物。氫氣的存儲方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。

（5）環境友好。當采用純氫為燃料時，PEMFC的唯一產物是水，可以做到零排放。以重整氣為燃料時，相對于內燃機而言，排放也極大降低。此外，PEMFC噪聲水平也很低，各結構部件均可回收利用。

3 研究現狀

3.1 關鍵部件

電解質膜、雙極板、催化劑及氣體擴散電極是質子交換膜燃料電池的四大關鍵部件。

電解質膜是PEMFC的核心部件，它直接影響燃料電池的性能與壽命。1962年美國杜邦公司研制成功全氟磺酸型質子交換膜，1966年開始用于燃料電池，其商業型號為Nafion，至今仍廣泛使用。但由于Nafion膜成本較高，各國科學家正在研究部分氟化或非氟質子交換膜。

雙極板在PEMFC中起著支撐、集流、分割氧化劑與還原劑并引導氣體在電池內電極表面流動的作用，目前廣泛采用的是以石墨為材料，在其上加工出引導氣體流動的流場，基本流場形式有蛇形、平行、交指及網格狀等。

鉑基催化劑是目前性能最好的電極催化劑，為提高利用率，鉑以納米級顆粒形式高分散地擔載到導電、抗腐蝕的擔體上，目前廣泛采用的擔體為乙炔炭黑，比表面積約為250m2/g，平均粒徑為30nm。

PEMFC的氣體擴散電極由兩層構成，一層為起支撐作用的擴散層，另一層為電化學反應進行的場所催化層。擴散層一般選用炭材如石墨化炭紙或炭布制備，應具備高孔隙率和適宜的孔分布，不產生腐蝕或降解。根據制備工藝和厚度不同，催化層分為厚層憎水、薄層親水及超薄三種類型。

3.2 測控系統

PEMFC的工作性能受多種因素（溫度、壓力等）的影響，為確保PEMFC正常運行，提高其可靠性和有效性，就必須監測各個影響因素。即運用有效的措施來連續監測PEMFC運行的關鍵或重要狀態，并對收集到的信息進行必要的分析和處理，以便做到故障預測和及時診斷，為PEMFC管理系統提供依據。目前，進行PEMFC測試系統相關方面研究的公司和機構眾多，但仍沒有制定出有關PEMFC測試的國際標準和相應的標準測試設備，不過已有實用的測試系統投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料電池測試站（FCATS）、美國Arbin公司的集成燃料電池測試系統（FCTS）是其中的突出代表。

4 質子交換膜燃料電池的應用

質子交換膜燃料電池是目前各種燃料電池中實用程度較高的一類。其優越性不僅限于能量轉換效率高、工作溫度低，還體現在其可在較大的電流密度下工作，適宜于較頻繁啟動的場合。因此世界各大汽車生產廠商一致看好其在汽車工業中的應用前景，PEMFC已成為現今燃料電池汽車動力的主要發展方向。目前，通用、豐田等世界上知名的汽車公司，都在積極開發以PEMFC系統為動力源的PEMFC電動車，曾先后推出各種類型的樣車，并進行PEMFC電動車隊的示范運行。PEMFC電動車以其優異的性能和環境污染很少等突出特點引起了人們的普遍關注，甚至被認為將是21世紀內燃機汽車最為有力的競爭者。

此外，在航空航天特別是無人飛行器領域，以及家庭電源、分散電站、移動電子設備電源、水下機器人及潛艇不依賴空氣推進電源等方面也有廣泛應用前景。

5 質子交換膜燃料電池的發展趨勢

在關鍵部件方面，圍繞電解質膜、催化劑及雙極板的研究方興未艾。全氟型磺酸膜價格昂貴，開發非全氟的廉價質子交換膜是今后的研究方向。近年來，新型質子交換膜的的研究熱點是開發能夠在100℃以上使用的高溫電解質膜。在催化劑方面，研制高性能抗CO中毒電極催化劑是最緊迫的任務，此外，還要尋找非貴金屬氮化物或碳化物作為現有鉑催化劑的替代。目前廣泛使用的石墨板具有較好的耐腐蝕能力和較高的熱導率，但成本較高，加工難度大，強度、電導率和可回收性均不如金屬板。金屬板目前急需解決的問題是表面處理，以提高其耐腐蝕能力。復合材料雙極板則結合了純石墨板和金屬板的優點，具有耐腐蝕、體積小、質量輕、強度大及工藝性良好等特點，是未來發展的趨勢。

在電堆方面，今后的研究重點將是使電堆中的電池單元的性能接近于單電池的性能，這就需要對電堆的結構進行優化，保證電堆中每一片電池單元的整個活性面積處于一致的操作環境，并優化水、熱管理，改善電流密度分布的均勻性。

參考文獻

［1］李興虎.電動汽車概論［M］.北京:北京理工大學出版社，2005:9-22.

［2］黃敏.質子交換膜燃料電池堆電氣性能試驗研究［J］.電源技術，2007，31(5):361-363.