�(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,英文簡(jiǎn)稱PEMFC)是一�燃料電池,作為一種真正的綠色�(huán)保能� ,其極高的理論比能�(�(duì)�-空氣體系而言 ,其理論比能量高達(dá)32940WhP kg ,�(yuǎn)�(yuǎn)大于�(xiàn)有其它任何一種化�(xué)電源)被認(rèn)為是未來(lái)交通工�� 分布式電站及各類電子�(chǎn)品等最主要的供能電源之一�
該技�(shù)是General Electric公司�20世紀(jì)50年代�(fā)明的,被NASA用來(lái)為其Gemini空間�(xiàng)目提供動(dòng)力。目前這種燃料電池是汽車公司最喜歡使用的一類燃料電�,用�(lái)取代原來(lái)使用的內(nèi)燃機(jī)。質(zhì)子交換膜燃料電池有時(shí)也叫聚合物電解質(zhì)�,或固態(tài)聚合物電解質(zhì)�,或聚合物電解質(zhì)膜燃料電��
下圖顯示了質(zhì)子交換膜燃料電池的基本設(shè)�(jì)
在質(zhì)子交換膜燃料電池�,電解質(zhì)是一片薄的聚合物�,例如聚[全氟磺]酸(poly[perfluorosulphonic]acid�,和�(zhì)子能夠滲透但不導(dǎo)電的NafionTM ,而電極基本由碳組�。氫流入燃料電池到達(dá)�(yáng)�,裂解成氫離子(�(zhì)子)和電�。氫離子通過(guò)電解�(zhì)滲透到陰極,而電子通過(guò)外部�(wǎng)路流�(dòng),提供電�。以空氣形式存在的氧供應(yīng)到陰�,與電子和氫離子�(jié)合形成水。在電極上的這些反應(yīng)如下�
�(yáng)極:2H2� 4H+ + 4e-
陰極:O2 + 4H+ + 4e- � 2 H2O
整體�2H2 + O2� 2 H2O + 能量
�(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約�80�。在這樣的低溫下,電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢�(jìn)�,通常用每�(gè)電極上的一層薄的白金�(jìn)行催化�
這種電極/電解�(zhì)裝置通常稱做膜電極裝配(MEA�,將其夾在二�(gè)�(chǎng)流板中間便能�(gòu)成燃料電池。這二�(gè)板上都有溝槽,將燃料引導(dǎo)到電極上,也能通過(guò)膜電極裝配導(dǎo)電。每�(gè)電池能產(chǎn)生約0.7伏的�,足夠供一�(gè)照明燈泡使用。驅(qū)�(dòng)一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓,將多�(gè)單�(gè)的電池串�(lián)起來(lái)便可形成人們稱做的燃料電池存儲(chǔ)器�
?�?)能量轉(zhuǎn)化效率高。通過(guò)氫氧化合作用,直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,不通過(guò)熱機(jī)�(guò)�,不受卡諾循�(huán)的限制�
?�?)可�(shí)�(xiàn)零排放。其的排放物是純凈水(及水蒸氣),沒(méi)有污染物排放,是�(huán)保型能源�
?�?)運(yùn)行噪聲低,可靠性高。PEMFC電池組無(wú)�(jī)械運(yùn)�(dòng)部件,工作時(shí)僅有氣體和水的流�(dòng)�
?�?)維�(hù)方便。PEMFC�(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)�,電池模塊呈�(xiàn)自然的“積木化”結(jié)�(gòu),使得電池組的組裝和維護(hù)都非常方便;也很容易�(shí)�(xiàn)“免維護(hù)”設(shè)�(jì)�
�5)發(fā)電效率受�(fù)荷變化影響很�,非常適合于用作分散型發(fā)電裝置(作為主機(jī)組),也適于用作電網(wǎng)的“調(diào)峰”發(fā)電機(jī)組(作為輔機(jī)組)�
�6)氫是世界上最多的元素,氫氣來(lái)源極其廣泛,是一種可再生的能源資�,取之不�,用之不�??赏ㄟ^(guò)石油、天然氣、甲醇、甲烷等�(jìn)行重整制�;也可通過(guò)電解水制�、光解水制氫、生物制氫等方法獲取氫氣�
?�?)氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)�、運(yùn)輸和使用等技�(shù)目前均已非常成熟、安�、可��
燃料電池使用氫氣為燃料。在�5�10年內(nèi),氫氣的�(lái)源可能仍以化石燃料重整制氫為�;但從長(zhǎng)�(yuǎn)�(lái)�(shuō),人們更傾向于將氫氣視為�(chǔ)能載�,氫氣來(lái)源將主要依靠可再生的能源資源。在人類社會(huì)�(jìn)入氫能經(jīng)�(jì)�(shí)代后,氫能將主要�(lái)自太�(yáng)�、風(fēng)�、水�、地?zé)崮堋⒊毕芤约吧锬?。太?yáng)能、風(fēng)�、水�、地?zé)崮堋⒊毕軐⒋笠?guī)模用于發(fā)電并用于電解�,從而大量地將這些不可直接存儲(chǔ)的能量以氫能形式存儲(chǔ)起來(lái),供人們需要時(shí)使用;此外,通過(guò)生物制氫的方�,城市和�(nóng)村地區(qū)可以從有�(jī)垃圾和植物體中獲取大量的生物能(如甲烷)�
�(yōu)�(diǎn)�
1、其�(fā)電過(guò)程不涉及氫氧燃燒,因而不受卡諾循�(huán)的限�,能量轉(zhuǎn)換率��
2、發(fā)電時(shí)不產(chǎn)生污�,發(fā)電單元模塊化,可靠性高,組裝和維修都很方便,工作時(shí)也沒(méi)有噪�。所�,質(zhì)子交換膜燃料電池電源是一種清�、高效的綠色�(huán)保電源�
3、質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度低、啟�(dòng)�、比功率�、結(jié)�(gòu)�(jiǎn)�、操作方便等
4、被公認(rèn)為電�(dòng)汽車、固定發(fā)電站等的能源。在燃料電池�(nèi)部,�(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道,使得質(zhì)子經(jīng)�(guò)膜從�(yáng)極到�(dá)陰極,與外電路的電子�(zhuǎn)移構(gòu)成回�,向外界提供電流,因此質(zhì)子交換膜的性能�(duì)燃料電池的性能起著非常重要的作�,它的好壞直接影響電池的使用壽命�
缺點(diǎn)�
1、制作困�、成本高,全氟物�(zhì)的合成和磺化都非常困�,而且在成膜過(guò)程中的水�、磺化容易使聚合物變�、降�,使得成膜困�,導(dǎo)致成本較��
2、對(duì)溫度和含水量要求�,Nafion系列膜的工作溫度�70�90�,超�(guò)此溫度會(huì)使其含水量急劇降低,導(dǎo)電性迅速下�,阻礙了通過(guò)適當(dāng)提高工作溫度�(lái)提高電極反應(yīng)速度和克服催化劑中毒的難題;
3、某些碳?xì)浠�?,如甲醇等,滲透率較高,不適合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的�(zhì)子交換膜�
�(zhì)子交換膜燃料電池�(yīng)用十分廣泛。實(shí)際上,凡是需要能源、動(dòng)力的地方都可以應(yīng)用PEMFC。質(zhì)子交換膜燃料電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域可分為以下三大類:
一是用作便攜電�、小型移�(dòng)電源、車載電源、備用電�、不間斷電源�,適用于軍事、通訊、計(jì)算機(jī)、地�(zhì)、微波站、氣象觀�(cè)�、金融市�(chǎng)、醫(yī)院及娛樂(lè)�(chǎng)所等領(lǐng)�,以滿足野外供電、應(yīng)急供電以及高可靠�、高�(wěn)定性供電的需��
PEMFC電源的功率最小的只有幾瓦,如手機(jī)電池。據(jù)�(bào)�,PEMFC手機(jī)電池的連續(xù)待機(jī)�(shí)間可�(dá)1000小時(shí),一次填充燃料的通話�(shí)間可�(dá)100小時(shí)(摩托羅拉)。適用于便攜�(jì)算機(jī)等便攜電子設(shè)備的PEMFC電源的功率范圍大致在�(shù)十瓦至數(shù)百瓦(東芝)。軍用背�(fù)式通訊電源的功率大約為�(shù)百瓦�(jí)。衛(wèi)星通訊車用的車載PEMFC電源的功率一般為�(shù)千瓦�(jí)�
二是可用作助�(dòng)�、摩托車、汽�、火車、船舶等交通工具動(dòng)�,以滿足�(huán)保對(duì)車輛船舶排放的要��
PEMFC的工作溫度低,啟�(dòng)速度較快,功率密度較高(體積�?。┮虼耍苓m于用作新一代交通工具動(dòng)�。這是一�(xiàng)潛力十分巨大的應(yīng)用。由于汽車是造成能源消耗和�(huán)境污染的首要原因,因�,世界各大汽車集�(tuán)�(jìng)相投入巨�,研究開(kāi)�(fā)電動(dòng)汽車和代用燃料汽車。從目前�(fā)展情況看,PEMFC是技�(shù)最成熟的電�(dòng)車動(dòng)力源,PEMFC電動(dòng)車被�(yè)�(nèi)公認(rèn)為是電動(dòng)車的未來(lái)�(fā)展方�。燃料電池將�(huì)成為繼蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的第三代�(dòng)力系�(tǒng)。PEMFC可以�(shí)�(xiàn)零排放或低排�;其輸出功率密度比目前的汽油�(fā)�(dòng)�(jī)輸出功率密度高得多,可達(dá)1.4KW/公斤�1.6KW/��
用作電動(dòng)自行�、助�(dòng)車和摩托車動(dòng)力的PEMFC系統(tǒng),其功率范圍分別�300-500W�500W-2KW�2-10KW。游覽車、城市工程車、小轎車等輕型車輛用的PEMFC�(dòng)力系�(tǒng)的功率一般為10-60KW。公交車的功率則需�100-175KW�
PEMFC用作潛艇�(dòng)力源�(shí),與斯特林發(fā)�(dòng)�(jī)及閉式循�(huán)柴油�(jī)相比,具有效率高、噪聲低和低紅外輻射等優(yōu)�(diǎn),對(duì)提高潛艇隱蔽�、靈活性和作戰(zhàn)能力有重要意義。美�(guó)、加拿大、德�(guó)、澳大利亞等�(guó)海軍都已�(jīng)裝備了以PEMFC為動(dòng)力的潛艇,這種潛艇可在水下連續(xù)潛行一�(gè)月之��
三是可用作分散型電站。PEMFC電站可以與電�(wǎng)供電系統(tǒng)共用,主要用于調(diào)�;也可作為分散型主供電源,獨(dú)立供�,適于用作海島、山區(qū)、邊�(yuǎn)地區(qū)或新�(kāi)�(fā)地區(qū)電站�
與集中供電方式相�,分散供電方式有較多的優(yōu)�(diǎn):(1)可省去電網(wǎng)線路及配電調(diào)度控制系�(tǒng);(2)有利于熱電�(lián)供(由于PEMFC電站�(wú)噪聲,可以就近安�,PEMFC�(fā)電所�(chǎn)生的熱可以�(jìn)入供熱系�(tǒng)�,可使燃料總利用率高�(dá)80%以上;�3)受�(zhàn)�(zhēng)和自然災(zāi)害等的影響比�??;(4)通過(guò)天然�、煤氣重整制�,使得可利用�(xiàn)有天然氣、煤氣供氣系�(tǒng)等基�(chǔ)�(shè)施為PEMFC提供燃料,通過(guò)生物制氫、太�(yáng)能電解制氫方法則可形成循�(huán)利用系統(tǒng)(這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于廣大的�(nóng)村地區(qū)和邊�(yuǎn)地區(qū)�,使系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本大大降低。因�,PEMFC電站的經(jīng)�(jì)性和�(huán)保性均很好。國(guó)際上普遍�(rèn)�,隨著燃料電池的推廣�(yīng)�,發(fā)展分散型電站將是一�(gè)趨勢(shì)�
綜上所述:�(zhì)子交換膜燃料電池�(yīng)用前景廣�,市�(chǎng)潛力巨大,對(duì)�(chǎn)�(yè)�(jié)�(gòu)升級(jí)、環(huán)境保�(hù)及經(jīng)�(jì)的可持續(xù)�(fā)展均有重要意�。鑒于其重要�,燃料電池已�(jīng)被美�(guó)列為使美�(guó)保持�(jīng)�(jì)繁榮和國(guó)家安全而必須發(fā)展的27�(xiàng)�(guān)鍵技�(shù)之一,并被美�(guó)、加拿大等發(fā)�(dá)�(guó)家認(rèn)定為21世紀(jì)的清潔能源系�(tǒng)�2000年,燃料電池還被美國(guó)《時(shí)代》周刊評(píng)�21世紀(jì)�(duì)人類社會(huì)有重要影響的十大技�(shù)之一�
�(zhì)子交換膜燃料電池�(fā)電作為新一代發(fā)電技�(shù),其廣闊的應(yīng)用前景可與計(jì)算機(jī)技�(shù)相媲�。經(jīng)�(guò)多年的基�(chǔ)研究與應(yīng)用開(kāi)�(fā),質(zhì)子交換膜燃料電池用作汽車�(dòng)力的研究已取得實(shí)�(zhì)性�(jìn)�,微型質(zhì)子交換膜燃料電池便攜電源和小型質(zhì)子交換膜燃料電池移動(dòng)電源已達(dá)到產(chǎn)品化程度,中、大功率�(zhì)子交換膜燃料電池�(fā)電系�(tǒng)的研究也取得了一定成�。由于質(zhì)子交換膜燃料電池�(fā)電系�(tǒng)有望成為移動(dòng)裝備電源和重要建筑物備用電源的主要發(fā)展方�,因此有許多�(wèn)題需要�(jìn)行深入的研究。就備用氫能�(fā)電系�(tǒng)而言,除�(zhì)子交換膜燃料電池單電�、電堆質(zhì)�、效率和可靠性等基礎(chǔ)研究外,其應(yīng)用研究主要包括適�(yīng)各種�(huán)境需要的�(fā)電機(jī)集成制造技�(shù)� �(zhì)子交換膜燃料電池�(fā)電機(jī)電氣輸出�(bǔ)償與電力變換技�(shù),質(zhì)子交換膜燃料電池�(fā)電機(jī)并聯(lián)�(yùn)行與控制技�(shù),備用氫能發(fā)電站制氫與儲(chǔ)氫技�(shù),適�(yīng)�(huán)境要求的空氣(氧氣)供應(yīng)技�(shù),氫氣安全監(jiān)控與排放技�(shù),氫能發(fā)電站基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備與控制系統(tǒng)�(kāi)�(fā),建筑物采用�(zhì)子交換膜燃料電池氫能�(fā)電電熱聯(lián)�(chǎn)�(lián)供系�(tǒng),以及質(zhì)子交換膜燃料電池氫能�(fā)電站建設(shè)技�(shù)等等。采用質(zhì)子交換膜燃料電池氫能�(fā)電將大大提高重要裝備及建筑電氣系�(tǒng)的供電可靠性,使重要建筑物以市電和備用集中柴油電站供電的方式向市電與中、小型質(zhì)子交換膜燃料電池�(fā)電裝�、太�(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分散電源�(lián)�(wǎng)備用供電的靈活發(fā)供電系統(tǒng)�(zhuǎn)�,極大地提高建筑物的智能化程度、節(jié)能水平和�(huán)保效��