質(zhì)子交換膜燃料電池的推廣前景分析

鄭明剛　石磊

摘 要 得益于低工作溫度（60-80℃）、低能耗以及高能量密度，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）成為了最具發(fā)展前景的“綠色能源”。文章首先論述質(zhì)子交換膜燃料電池的組成，進而分析質(zhì)子交換膜燃料電池的推廣。

關鍵詞 質(zhì)子交換膜燃料電池 組成 推廣 應用

1質(zhì)子交換膜燃料電池的組成

如今，車用質(zhì)子交換膜燃料電池是由很多相同的單體串聯(lián)組成的電池組，本節(jié)將介紹燃料電池單體的內(nèi)部結構。質(zhì)子交換膜燃料電池的單體是由陰陽兩極的集流板、流道、擴散層、催化劑層以及質(zhì)子交換膜組成，各個部分在燃料電池的發(fā)電過程中均承擔著不可替代的作用。

其中，集流板的作用是將產(chǎn)生的電子收集并進行有效的外電路傳遞；

流道是氣體和水的通道，承擔了進氣和排水的作用，具體作用是為陽極的氫氣和陰極的氧氣提供流通通道以及將陰極反應所產(chǎn)生的水及時排出；

擴散層的最主要的功能是為反應氣體從流道進入催化劑層提供路徑，是指進入整個活性區(qū)域而不是僅僅在流道的通道周圍區(qū)域，簡言之就是使氣體均勻分布于擴散層并與催化劑層充分接觸；

催化劑層的核心部分是附著在碳分子上的催化劑分子，這些催化劑分子能夠確保陽極處的H+與e-的有效分離以及陰極處的H+、e-以及O2的有效結合；

質(zhì)子交換膜是燃料電池的核心部件，它能夠選擇性的透過H+而使e-流過外電路進而形成電流。

2質(zhì)子交換膜燃料電池的推廣

目前，質(zhì)子交換膜燃料電池受到全世界的重視，尤其是在環(huán)境污染、石油危機以及溫室氣體威脅的前提下，排放物只有水的燃料電池必將受到人們的青睞。就目前看來，質(zhì)子交換膜燃料電池的推廣前景主要如下：

2.1國家政策的支持

2014年后，我國我國陸續(xù)出臺燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)政策，如《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014年-2020年）》、《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》、《能源技術革命重點創(chuàng)新行動路線圖》、《國家驅動創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略剛要》、《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》、《乘用車企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車積分并行管理辦法》、《關于調(diào)整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》等，這些政策將大力推動燃料電池的推廣。

2.2燃料來源廣泛

質(zhì)子交換膜燃料電池的燃料為氫氣和氧氣，氧氣來源于空氣，可謂取之不盡，用之不竭，而另一燃料氫氣的來源也十分豐富。

據(jù)了解，很多化工工業(yè)都能夠副產(chǎn)氫氣，而根據(jù)中國工業(yè)副產(chǎn)氫資源調(diào)研結果，不額外產(chǎn)生碳排放的工業(yè)副產(chǎn)氫資源有丙烷脫氫、乙烷裂解、焦爐煤氣和氯堿化工等都能夠大量的副產(chǎn)氫氣。

就丙烷脫氫這一項目而言，截止到2018年5月，全國共有8個項目投產(chǎn)，在建項目5個，還有多家丙烷脫氫項目處于前期工作，其中有確切投產(chǎn)年份規(guī)劃的項目有4個，預計2023年，這17個項目副產(chǎn)氫氣37萬噸/年。

氯堿工業(yè)中，每生產(chǎn)1噸燒堿約副產(chǎn)280立方米（約合0.025噸）氫氣。但事實上，目前中國很多氯堿企業(yè)只關注氯和堿產(chǎn)品，氫氣利用很不充分。數(shù)據(jù)顯示，每年中國氯堿企業(yè)副產(chǎn)氫氣放空率高達30%，意味著僅2017年中國至少有25萬噸的氫氣被白白放空。按每輛氫燃料電池車每天加注5公斤氫氣、行駛里程200公里來算，這些副產(chǎn)氫氣每年可供約13.5萬輛氫燃料電池車行駛。

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，我國氫氣資源十分豐富且閑置率較高，這為燃料電池的推廣提供了巨大的空間。

2.3應用范圍廣

不僅僅是燃料電池汽車，氫燃料電池能夠應用于眾多場合，大到飛機、空間站，小到便攜式電源，能夠涉及到我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妫梢哉f有著非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

質(zhì)子交換膜燃料電池目前已經(jīng)應用于汽車、摩托車和自行車、分布式發(fā)電站、備用電源、便攜式電源、空間站、飛機、輪船、水下航行器等，應用范圍極其廣泛。

2.4使用方便

在未來，質(zhì)子交換膜燃料電池何以用于日常、交通、軍事等方面，給人們帶來極大的便利。

在日常方面，質(zhì)子交換膜燃料電池能夠提供為別墅提供日常所需的電量，隨著燃料電池的不斷發(fā)展，一個燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的氫燃料能夠提供一個別墅數(shù)月的電量，使人們的生活真正達到低碳環(huán)保的境界。

在交通方面，燃料電池汽車的推廣和普及能夠為人們的低碳出行提供便利，與此同時，燃料電池汽車的高續(xù)航里程能夠有效的解決人們旅游、出差的用車需求。更重要的是，燃料電池汽車更符合人們的用車習慣，在燃料消耗將盡時，人們只需要去加氫站加注氫氣，而這一過程符合人們之前加油的習慣，并且這一過程比加油過程更為迅速。

在軍事方面，燃料電池能夠為單兵提供所有諸如照明、偵查等的能源需求，更重要燃料電池的能量密度高大大縮小了電源的體積和重量，進而極大的提高了單兵作戰(zhàn)能力。

相信在不久的將來，燃料電池必定以使用的便利性得到大力的推廣。

3結論

根據(jù)本文論述，足以看出質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)價值以及巨大的推廣空間，相信不就的將來，質(zhì)子交換膜燃料電池必將成為人們生活的必需品，滿足人們生活中的一切用電需求。

作者簡介：鄭明剛（1972.01-），研究生導師，副教授，1993年6月于東北大學獲工學學士學位，1997年6月獲山東大學工學碩士，2000年9月獲上海交通大學工學博士學位，現(xiàn)任職于山東建筑大學；石磊（1991.02-），山東省濟南市人，民族漢，在讀研究生，現(xiàn)就讀于山東建筑大學機電工程學院，研究方向：汽車電子控制技術及太陽能電動汽車。

參考文獻

[1] 張亞媛，張沛龍，葛靜等.燃料電池應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2014（06）：65-68.

[2] 葉榮，劉強，陳東旭等.氫燃料電池應用研究[C].中國移動通信集團設計院新技術論壇，2014.

[3] 徐自亮，余英，李力.氫燃料電池應用進展[J].中國基礎科學，2018（02）.