PEMFC电源系统的开发与应用

早在1995年，美国总统办公厅科技政策办公室公布的国家关键技术报告中，就将燃料电池列入维护国家经济繁荣的至关重要的关键技术领域。同年，美国《时代周刊》也将燃料电池列为21世纪10大高新技术之首。美国乔治•华盛顿大学未来学家评出的未来10年10大技术突破中,燃料电池位于网络生活之后列第 2位。从担任沙特阿拉伯石油部长达20年的现任全球能源中心主任雅玛尼，到依赖石化燃料驱动的内燃机而创造了汽车世纪的美国福特汽车公司现任董事长比里 •福特，这些传统能源的生产者和使用者都相信燃料电池技术将带来石油时代和内燃机的终结，人类将进入可持续发展的绿色能源新时代。燃料电池已被国际著名刊物《经济学家》和《世界观察》等列为21世纪可持续发展的三大支柱之一。正是由于上述原因，目前已掀起全球范围的燃料电池关键技术研究、样品开发及示范应用热潮[1]。而在几种主要的燃料电池(质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池)中，质子交换膜燃料电池具有无腐蚀、寿命长，重量轻、体积小、比功率大，操作温度低和起动快等特点，被认为是最有

2 质子交换膜燃料电池及其系统

2.1 质子交换膜燃料电池的工作原理

燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置。其工作原理与普通电池基本相同,也是通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。所不同的是,传统电池是事先填充好内部物质,化学反应结束后,不能再释放出电能;而燃料电池进行化学反应所需的物质是由外部不断填充的,只要供应燃料,就能源源不断地输出电能和热能。简言之，普通电池是能量储存装置，而燃料电池是能量转换装置[2]。

质子交换膜燃料电池主要有氢燃料电池、甲醇重整燃料电池和直接甲醇燃料电池三种。目前，尤以氢燃料电池倍受电源研究开发人员的注目。其工作原理如图1所示：在电池的一端,氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子(即质子)并释放出带负电的电子。即：H2→2H++2e-；反应生成物中,氢离子穿过阳极和阴极之间的固体电解质膜到达阴极,电子则通过外电路到达阴极。在电池另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极。在阴极催化剂作用下，氧气与氢离子及电子发生反应生成水。即：1/2O2+2H++2e-→H2O；总的化学反应为：H2+1/2O2→H2O。连续不断地向电池输送氢气和氧气, 电子就会在外电路连续运动形成电流,从而可以向负载输出电能。从以上可以看出,氢燃料电池的生成物是对环境无害的纯水,因此,使用氢燃料电池作动力源,不会造成大气污染。

图1　 PEMFC工作原理示意图

图2　 典型的PEMFC系统示意图

2.2 质子交换膜燃料电池电源系统的构成

PEMFC电源系统除了核心部分电池堆外，还需要一些辅助系统才能正常工作。图2是典型的PEMFC系统示意图[3]。整个系统除了电池堆外，必备的系统还包括：燃料供给系统、氧化剂及其循环系统、水／热管理系统和控制系统。燃料和氧化剂循环系统的功能是向电推提供燃料氧化剂，同时循环回收反应未完全的气体；水／热管理系统主要是保证电池堆内部的水／热平衡状态；控制系统则根据负载对电池功率的要求，或电池的工作条件(压力、温度、电压的变化)，对反应气体的流量、压力、水／热循环系统的水流速和温度等进行控制和调节；它们是燃料电池正常工作的保证[4]。这就是燃料电池发动机。

2.2.1 燃料电池(堆)

膜电极是PEMFC的核心,由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜组成.催化剂是将铂分散成微小颗粒负载在高比表面的碳黑或石墨上,形成含量为20%的 Pt/C催化剂.铂是贵金属,资源稀少、价格昂贵。早期的膜电极Pt的载量为10mg/cm2以上,Pt的利用率很低.直到90年代,薄膜电极的出现,使 Pt载量大幅度降低[5,6]。近年来,随着催化剂制备方法的深入研究,膜电极的Pt载量已降低至0.02mg/cm2,电性能亦得到提高.进一步降低载铂量,寻找其它价廉的催化剂,一直是PEMFC研究的主要课题之一。

PEMFC不同于其它燃料电池之处就在于使用固态的质子交换膜作电解质。 20世纪60年代,美国GE公司为NASA研制的空间电源采用了聚苯乙炔磺酸膜,其稳定性、导电性均不理想,使用寿命也短。60年代中期,美国杜邦公司研制出新型全氟磺酸膜(Nafion系列材料)将PEMFC性能大幅度提高。目前在PEMFC中使用的质子交换膜[7]均采用全氟化聚合物材料合成.该材料稳定性好、使用寿命长，但其制造成本过高,售价昂贵(约为600～800$/m2)。因此质子交换膜的研究,一是减少质子交换膜的用量,朝薄型电解质发展；二是研制新型价廉的质子交换膜。

2.2.2 燃料及其循环系统

PEMFC的燃料可选用纯氢或碳氢化合物,如果电池以纯氢为燃料,则系统结构相对简单,仅由氢源、稳压阀和循环回路组成,其中氢源可采用压缩氢、液氢或金属氢化物储氢；稳压阀控制燃料气的压力；循环回路用以循环利用过量的燃料气，燃料气的过量一方面是保证电化学反应的充分进行,另一方面也可以部分起到保持水平衡的作用,通常是采用一个循环泵或喷射泵将这部分氢送回到电池燃料气的入口处,在这种情况下,可认为由氢源系统所提供的氢100%被用来发电。

如果PEMFC以碳氢化合物为燃料，则该系统结构要相对复杂的多，其中至要包括一个燃料处理器，用来将燃料或燃料与水的混合物转换成蒸气，这类转换气包括大部分氢、二氧化碳、水和微量的一氧化碳。另外，随燃料处理器的不同，转换器 中可能还有氮气。必须指出的是，在任何PEMFC系统中，转换器中的惰性气体和其它气体都将不同程度的影响电池的性能。由于PEMFC的工作温度通常在100。C以下，在典型的PEMFC系统中，CO很容易吸附在铂催化剂上，引起催化剂中毒，导致电池性能下降。因而，必须将转换气中的CO浓度控制在100