燃料電池的研究現狀及展望

　　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 　　
　　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+（xH2O）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。