燃料電池的研究現狀及展望

　　摘 要：介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的結構、原理、特點(diǎn)及應用情況，重點(diǎn)闡述了PEMFC的研究現狀，在此基礎上探討了PEMFC的發(fā)展趨勢。
　　關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；雙極板；電極；催化劑 　　
　　1 質(zhì)子交換膜燃料電池的結構及原理
　　
　　按照電解質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等五類(lèi)。PEMFC單電池由質(zhì)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(guò)程如下：
　?。?）氫氣通過(guò)雙極板上的導氣通道到達電池的陽(yáng)極，氫分子在催化劑的作用下解離形成氫離子和電子；
　?。?）氫離子以水合質(zhì)子H+（xH2O）的形式通過(guò)電解質(zhì)膜到達陰極，電子在陽(yáng)極側積累；
　?。?）氧氣通過(guò)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(yáng)極間形成一個(gè)電勢差；
　?。?）陽(yáng)極和陰極通過(guò)外電路連接起來(lái)，在陽(yáng)極積聚的電子就會(huì )通過(guò)外電路到達陰極，形成電流，對負載做功。同時(shí)，在陰極側反應生成水；
　?。?）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(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)
　　
　?。?）高效率。PEMFC以電化學(xué)方式進(jìn)行能量轉換，不存在燃燒過(guò)程，不受卡諾循環(huán)限制，其理論熱效率可達85-90%，目前的實(shí)際效率大約是內燃機的兩倍。傳統動(dòng)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。
　?。?）模塊化。PEMFC在結構上具有模塊化的特點(diǎn)，可根據不同動(dòng)力需求組合安裝，采用“搭積木”式的設計方法簡(jiǎn)化了不同規模電堆的設計制造過(guò)程。
　?。?）高可靠性。由于PEMFC電堆采用模塊化的設計方法，結構簡(jiǎn)單，易于維護。一旦某個(gè)單電池發(fā)生故障，可自動(dòng)采取適當屏蔽措施，只會(huì )使系統輸出功率略有下降，而不會(huì )導致整個(gè)動(dòng)力系統的癱瘓。
　?。?）燃料多樣性。PEMFC動(dòng)力系統既可以純氫為燃料，也可以重整氣為燃料。氫氣的來(lái)源可以是電解水的產(chǎn)物，也可以是對汽油、柴油、二甲醚等化石類(lèi)燃料重整的產(chǎn)物。氫氣的存儲方式可以是高壓氣罐、液氫、金屬氫化物等。
　?。?）環(huán)境友好。當采用純氫為燃料時(shí)，PEMFC的唯一產(chǎn)物是水，可以做到零排放。以重整氣為燃料時(shí)，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。