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氢能与质子交换膜燃料电池

关键字：燃料、新能源、燃料电池、PEMFC

摘要：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。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。PEMFC

发电机的诸多优越性能，使其在航空航天及超级移动设备、水下潜艇、

军事工程、通讯工程、车辆动力电源。

内容：石油是不可再生的能源，其储藏量和可开采量资源正面临枯竭。

如今人类社会高度依赖于石油工业，包括汽车在内的各个行业的发展

都离不开石油工业。地球上的石油到底还能供人类用多久？据美国石

油业协会估计，地球上尚未开采的原油储藏量已不足两万亿桶，可供

人类开采不超过95年的时间。在2050年到来之前，世界经济的发展

将越来越多地依赖煤炭。其后在2250到2500年之间，煤炭也将消耗

殆尽，矿物燃料供应枯竭。

中国已经超过日本成为世界第二大汽车市场。但在中国汽车市场领

跑全球汽车市场荣耀的背后，是中国过快消耗着祖先留下的资源。面

对即将到来的能源危机，中国的汽车产业路在何方，路只有一条：使

用新能源，也只有使用新的替代能源，汽车产业才能持续发展。实施

替代能源战略，有助于我国汽车逐渐摆脱对原油的依赖，从能源安全

的角度看，无疑是非常必要的

中国石油资源不及世界人均水平的1/6，从1993年开始，中国成

为石油净进口国，供需矛盾日益突出。2004年中国石油消费量达到

了2.92亿吨，进口原油1.23亿吨。其中，车用燃油消耗已经达到了

中国石油消费量的1/3左右。此后石油进口仍呈上升趋势，进口量约

占使用量的20%左右，预计到2010年前后将达到40%，车用汽油年

消耗量为6400万吨。面对人类即将消耗完需几百万年才形成的石油

资源所引发的即将到来的能源危机，中国及全世界必须认识到要采取

开源节流的战略，即一方面节约能源，另一方面开发新能源。

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

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1。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

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。

电子在外电路形成直流电。因此，只要源源不断地向燃料电池阳

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

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