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氢能与质子交换膜燃料电池 1 序言 为解决能源短缺、环境污染等问题，开发清洁、高效的新能源和可再 生能源已十分紧迫。氢能因燃烧热值高、污染小、资源丰富成为新能 源的对象，氢燃料电池作为氢能利用的有效手段，已被美国《时代》 周刊评为 21 世纪有重要影响的十大技术之一。 2 氢燃料电池工作原理 燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由 3 部分组成，即阳极、 阴极、电解质，如图 13。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。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。 以质子交换膜燃料电池（ pemfc）为例，其工作原理如下： (1) 氢气通过管道或导气板到达阳极； (2) 在阳极催化剂的作用下， 1 个氢分子解离为 2 个氢质子，并释放出 2 个电子，阳极反应为： h2→2h++2e。 (3) 在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极， 在阴极催化剂的作用下，氧分子和氢离子与通过外电路到达阴极的电 子发生反应生成水，阴极反应为： 1/2o2+2h++2e→h2o 总的化学反应为： h2+1/2o2 ＝h2o 电子在外电路形成直流电。因此，只要源源持续地向燃料电池阳极和 阴极供给氢气和氧气，就可以向外电路的负载连续地输出电能。 3pemfc 的特点及研发应用现状 燃料电池种类较多， pemfc 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。 pemfc 发电机由本体及其附属系统构成。本体结构除上述核心单元外， 还包括单体电池层叠时为防止汽、水泄漏而设置的密封件，以及压紧 各单体电池所需的紧固件等。附属系统包括：燃料及氧化剂贮存及其 循环单元，电池湿度、温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元。 图 2 是一个典型的 pemfc 发电系统示意图 4 。 (1)pemfc 作为移动式电源的应用 pemfc 作为移动式电源的应用领域分为两大类：一是可用作便携式电 源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等领域， 以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要。实际应用是手机 电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯 车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源， 以满足环保对车辆排放的要求。从目前发展情况看， pemfc 是技术最成 熟的电动车动力电源。国际上， pemfc 研究开发领域的权威机构是加拿 大 ballard 能源系统公司。美国 h-power 公司于 1996年研制出世界上 第一辆以 pemfc 发电机为动力源的大巴士 5。近年来，我国对燃料电池 电动车的研发也极为重视，被列入国家重点科技攻关计划。上海神力 公司、富原燃料电池有限公司、清华大学、中科院大连化物所已分别 研制出游览观光车、中巴车样车，其性能接近或达到国际先进水平。 (2)pemfc 作为固定式电源的应用 pemfc 除适用于作为交通电源外，也非常适合用于固定式电源。既可 与电网系统互联，用于调峰；也可作为独立电源，用作海岛、山区、 边远地区、或作为国防（人防）发供电系统电源。 采用多台 pemfc 发电机联网还可构成分散式供电系统。分散式供电系 统有很多优点：①可省去电网线路及配电调度控制系统；②有利于热 电联供（因为 pemfc 电站无噪声，可就近安装， pemfc 发电所产生的热 可进入供热系统），可使燃料总利用率高达 80%以上；③受战争和自然 灾害等影响比较小，尤其适宜于现代战争条件下的主动防护需要；④ 通过天燃气、煤气重整制氢，可利用现有天燃气、煤气供气系统等基 础设施为 pemfc 提供燃料；通过再生能源制氢（电解水制氢、太阳能 电解制氢、生物制氢）则可形成循环利用系