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质子交换膜燃料电池的应用与发展

林圣享 学号：405932016118 动力工程及工程热物理2016级研究生

（南昌大学 机电工程学院，南昌330031）

摘 要：燃料电池是一种将化学能通过化学反应直接转化成电能的装置。质子交换膜燃料电池作为新一代发电技术，以其特有的高效率和环保性引起了全世界的关注，极具开发和利用价值。随着质子交换膜燃料电池技术的不断提高和成本的逐步降低，其在市场上将逐步获得应用。该文分析了质子交换膜燃料电池的结构和工作原理，对比了各种燃料电池基本属性，阐述了燃料电池当前发展的状态, 探究了其较高的利用效率又不污染环境的能源利用方式对当前能源紧缺和环境污染严重的形势下，进一步明确了质子交换膜燃料电池发展的广阔前景，其作为能源利用的一次变革，必将在宇航、交通以及国防军事等领域发挥的巨大推动作用。

关键词：质子交换膜；燃料电池；利用效率

Application and Development of Proton Exchange

Membrane Fuel Cell

Abstract：A fuel cell is a device that converts chemical energy directly into electrical energy by chemical reactions. Proton exchange membrane fuel cell as a new generation of power generation technology, with its unique high efficiency and environmental protection has aroused the concern of the world, great development and use value. With the proton exchange membrane fuel cell technology continues to improve and gradually reduce the cost of its market will gradually gain application. This paper analyzes the structure and working principle of proton exchange membrane fuel cell, compares the basic properties of various fuel cells, expounds the current development of fuel cell, explores its high efficiency and does not pollute the environment. The current energy shortage and serious environmental pollution situation, to further clarify the proton exchange membrane fuel cell development prospects, as a change in energy use, will be in the aerospace, transportation and defense and other fields play a huge role in promoting. Key words：proton exchange membrane；fuel cell；utilization efficiency

引 言

燃料电池（Fuel Cell）是一种高效、环境友好的新能源发电装置，能将燃料的化学能通过电化学反应直接转化为电能。在工作原理和方式上，燃料电池与普通电池存在差别：燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是电催化和集流的转换元件，也是电化学反应的场所。燃料电池是开放体系，活性物质储存在电池之外，只要不断地供给燃料和氧化剂就能连续发电，因而容量很大。同时，燃料电池还是一个复杂的系统，一般由燃料和氧化剂供应系统、水热管理系统以及控制系统等多个子系统组成。而普通电池是简单的封闭体系，放电容量有限，活性物质一旦消耗光，电池寿命即告终止，或者必须充电后才能再次使用[1]。

燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置[2]

。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能\储电\而是一个\发电厂\，被誉为是一种继水力、火力、核电之后的第四代发电技术，也正在美、日等发达国家崛起，以急起直追的势头快步进入能以工业规模发电的行列。 燃料电池具有高能量转换效率、低温快速启动、低热辐射和低排放、运行噪声低和适应不同功率要求，具有非常好

的前景[3]。文中针对燃料电池的基本原理，对质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell）所面临的困难及解决办法进行介绍，并对其发展进行展望。

1 燃料电池技术简介 1.1 燃料电池的种类

燃料电池种类较多，依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池（A F C）、磷酸型燃料电池（P A F C）、熔融碳酸盐燃料电池（M C F C）、固体氧化物燃料电池（S O F C）及质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。它们的结构成分及属性如表1[2]。 表1 PEMFC种类的比较

1.2 燃料电池的研究现状及应用

燃料电池的历史可上追溯19世纪。第一个燃料电池是英国人William Grove于1839年制成的。1894年，Wilhelm Ostwald从热力学理论上证明，电化学电池的能量转化效率高于热机。Mond和Langer于1889年重复了Grove的实验，并第一次使用“燃料电池”这一名词。20世纪初，一些杰出的物理化学家，如Nernst等在燃料电池方面做出了很多努力，但由于受材料技术水平的制约，这些研究受到了限制。英国人培根在20世纪50年代开发了多孔镍电极，并制造了第一个千瓦级的碱性燃料电池系统。培根的研究成果后来被应用于美国宇航局阿波罗计划中的宇宙飞船上。这使得燃料电池从实验走向实用，具有里程碑的意义。由于在航天领域的应用，燃料电池得到了很大关注。随着技术的发展，燃料电池的成本也逐渐降低，不仅在航天领域，在陆地使用的燃料电池也受到了人们的关注。1970年已经出现了以碱性燃料电池为动力的轿车，并实际运行了3年。到了70年代中期，在空间应用方面达到了很高水平的碱性燃料电池，其研究及开发逐步被磷酸燃料电池的广泛研究和开发所取代。磷酸燃料电池比碱性燃料电池更适用于电站，其发电功率目前已达到兆瓦级，寿命也已达到实用要求[2]。

由于在电能和热能方面具有的高效率，80年代高温的熔融碳酸盐燃料电池的研究取得

很大发展，90年代固体氧化物燃料电池的研究也快速进展。由于90年代期间对新型膜和催化剂研究的不断深入，质子交换膜燃料电池快速发展。质子交换膜燃料电池在便携式电源、微型电器电源、机动车电源、潜艇电源等方面的应用正在发展。

因此，由于燃料电池具有高效率、环境友好、安全可靠、操作性能良好，以及灵活方便等特点使其广受关注。从应用方面来讲，不论在空间技术，还是海面舰艇及潜艇以及陆地的机动车领域，燃料电池技术都得到了应用；从便携式电源、工作电站到发电厂，燃料电池技术都在蓬勃发展。尽管目前由于燃料电池价格昂贵并且其燃料供应体系不够完善使其技术不够普及，尚不能进行大规模的商业化应用，但从长远来看，高效、环境友好等特点使其将在未来能源中占有越来越重要的地位。研究燃料电池对于提高我国的清洁能源技术水平是非常有意义的。

1.3 质子交换膜燃料电池的发展趋势

质子交换膜燃料电池以其工作温度低、启动快、能量密度高、寿命长等优点特别适宜作为便携式电源、机动车电源和中、小型发电系统等，这也将是质子交换膜燃料电池的发展趋势。其发展趋势具体包括如下四个方面：

（1）质子交换膜燃料电池用来发电；

（2）质子交换膜燃料电池作为移动式电源的应用； （3）质子交换膜燃料电池作为固定式电源的应用； （4）质子交换膜燃料电池的军事应用前景。

2 质子交换膜燃料电池的结构

质子交换膜燃料电池是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极[3]。其结构如图1所示。

阳极阴极水+热燃料-氢气空气质子交换膜催化剂

图1 质子交换膜燃料电池的结构

3 质子交换膜燃料电池工作原理

质子交换膜燃料电池是由氢阳极、氧阴极和质子交换膜构成，其原理相当于电解水的“逆”过程[4]。图2为燃料电池基本单元的组成示意图[5]，通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质。化学反应式如下：

阳极（负极） 2H2→4H++4e 阴极（正极） O2+4H++4e→2H2O 总过程 2H2+O2→2H2O