燃料電池的研究現狀及展望

　　3 研究現狀
　　
　　3.1 關(guān)鍵部件
　　電解質(zhì)膜、雙極板、催化劑及氣體擴散電極是質(zhì)子交換膜燃料電池的四大關(guān)鍵部件。
　　電解質(zhì)膜是PEMFC的核心部件，它直接影響燃料電池的性能與壽命。1962年美國杜邦公司研制成功全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，1966年開(kāi)始用于燃料電池，其商業(yè)型號為Nafion，至今仍廣泛使用。但由于Nafion膜成本較高，各國科學(xué)家正在研究部分氟化或非氟質(zhì)子交換膜。
　　雙極板在PEMFC中起著(zhù)支撐、集流、分割氧化劑與還原劑并引導氣體在電池內電極表面流動(dòng)的作用，目前廣泛采用的是以石墨為材料，在其上加工出引導氣體流動(dòng)的流場(chǎng)，基本流場(chǎng)形式有蛇形、平行、交指及網(wǎng)格狀等。
　　鉑基催化劑是目前性能最好的電極催化劑，為提高利用率，鉑以納米級顆粒形式高分散地擔載到導電、抗腐蝕的擔體上，目前廣泛采用的擔體為乙炔炭黑，比表面積約為250m2/g，平均粒徑為30nm。
　　PEMFC的氣體擴散電極由兩層構成，一層為起支撐作用的擴散層，另一層為電化學(xué)反應進(jìn)行的場(chǎng)所催化層。擴散層一般選用炭材如石墨化炭紙或炭布制備，應具備高孔隙率和適宜的孔分布，不產(chǎn)生腐蝕或降解。根據制備工藝和厚度不同，催化層分為厚層憎水、薄層親水及超薄三種類(lèi)型。
　　3.2 測控系統
　　PEMFC的工作性能受多種因素（溫度、壓力等）的影響，為確保PEMFC正常運行，提高其可靠性和有效性，就必須監測各個(gè)影響因素。即運用有效的措施來(lái)連續監測PEMFC運行的關(guān)鍵或重要狀態(tài)，并對收集到的信息進(jìn)行必要的分析和處理，以便做到故障預測和及時(shí)診斷，為PEMFC管理系統提供依據。目前，進(jìn)行PEMFC測試系統相關(guān)方面研究的公司和機構眾多，但仍沒(méi)有制定出有關(guān)PEMFC測試的國際標準和相應的標準測試設備，不過(guò)已有實(shí)用的測試系統投入使用。加拿大Hydrogenics公司的燃料電池測試站（FCATS）、美國Arbin公司的集成燃料電池測試系統（FCTS）是其中的突出代表。
　　
　　4 質(zhì)子交換膜燃料電池的應用
　　
　　質(zhì)子交換膜燃料電池是目前各種燃料電池中實(shí)用程度較高的一類(lèi)。其優(yōu)越性不僅限于能量轉換效率高、工作溫度低，還體現在其可在較大的電流密度下工作，適宜于較頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合。因此世界各大汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)商一致看好其在汽車(chē)工業(yè)中的應用前景，PEMFC已成為現今燃料電池汽車(chē)動(dòng)力的主要發(fā)展方向。目前，通用、豐田等世界上知名的汽車(chē)公司，都在積極開(kāi)發(fā)以PEMFC系統為動(dòng)力源的PEMFC電動(dòng)車(chē)，曾先后推出各種類(lèi)型的樣車(chē)，并進(jìn)行PEMFC電動(dòng)車(chē)隊的示范運行。PEMFC電動(dòng)車(chē)以其優(yōu)異的性能和環(huán)境污染很少等突出特點(diǎn)引起了人們的普遍關(guān)注，甚至被認為將是21世紀內燃機汽車(chē)最為有力的競爭者。
　　此外，在航空航天特別是無(wú)人飛行器領(lǐng)域，以及家庭電源、分散電站、移動(dòng)電子設備電源、水下機器人及潛艇不依賴(lài)空氣推進(jìn)電源等方面也有廣泛應用前景。
　　
　　5 質(zhì)子交換膜燃料電池的發(fā)展趨勢
　　
　　在關(guān)鍵部件方面，圍繞電解質(zhì)膜、催化劑及雙極板的研究方興未艾。全氟型磺酸膜價(jià)格昂貴，開(kāi)發(fā)非全氟的廉價(jià)質(zhì)子交換膜是今后的研究方向。近年來(lái)，新型質(zhì)子交換膜的的研究熱點(diǎn)是開(kāi)發(fā)能夠在100℃以上使用的高溫電解質(zhì)膜。在催化劑方面，研制高性能抗CO中毒電極催化劑是最緊迫的任務(wù)，此外，還要尋找非貴金屬氮化物或碳化物作為現有鉑催化劑的替代。目前廣泛使用的石墨板具有較好的耐腐蝕能力和較高的熱導率，但成本較高，加工難度大，強度、電導率和可回收性均不如金屬板。金屬板目前急需解決的問(wèn)題是表面處理，以提高其耐腐蝕能力。復合材料雙極板則結合了純石墨板和金屬板的優(yōu)點(diǎn)，具有耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、強度大及工藝性良好等特點(diǎn)，是未來(lái)發(fā)展的趨勢。
　　在電堆方面，今后的研究重點(diǎn)將是使電堆中的電池單元的性能接近于單電池的性能，這就需要對電堆的結構進(jìn)行優(yōu)化，保證電堆中每一片電池單元的整個(gè)活性面積處于一致的操作環(huán)境，并優(yōu)化水、熱管理，改善電流密度分布的均勻性。