氢能与质子交换膜燃料电池.pdf

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1、氢能与质子交换膜燃料电池 1 序言 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。2 氢燃料电池工作原理 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 13。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)

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+2eb(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+2ei h2o 总的化学反应为：h2+1/2o2=h2o 电子在外电路形成直流电。因此，只要源源持续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。3pemfc 的特点及研发应用现状燃料电池种类较多，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

3、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 4。(1)pemfc 作为移动式电源的应用 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，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要。实际应用是手机 电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背

4、负式通讯电源、卫星通讯 车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。从目前发展情况看，pemfc 是技术最成 熟的电动车动力电源。国际上，pemfc 研究开发领域的权威机构是加拿 大 ballard 能源系统公司。美国 h-power 公司于 1996 年研制出世界上 第一辆以 pemfc 发电机为动力源的大巴士 5。近年来，我国对燃料电池 电动车的研发也极为重视，被列入国家重点科技攻关计划。上海神力 公司、富原燃料电池有限公司、清华大学、中科院大连化物所已分别 研制出游览观光车、中巴车样车，其性能接近或达到国际先进水平。(2)pemfc 作为固定

5、式电源的应用 pemfc 除适用于作为交通电源外，也非常适合用于固定式电源。既可 与电网系统互联，用于调峰；也可作为独立电源，用作海岛、山区、边远地区、或作为国防(人防)发供电系统电源。采用多台 pemfc 发电机联网还可构成分散式供电系统。分散式供电系 统有很多优点：可省去电网线路及配电调度控制系统；有利于热 电联供(因为 pemfc 电站无噪声，可就近安装，pemfc 发电所产生的热 可进入供热系统），可使燃料总利用率高达 80%以上；受战争和自然 灾害等影响比较小，尤其适宜于现代战争条件下的主动防护需要；通过天燃气、煤气重整制氢，可利用现有天燃气、煤气供气系统等基 础设施为 pemfc

6、提供燃料；通过再生能源制氢（电解水制氢、太阳能 电解制氢、生物制氢）则可形成循环利用系统（这种循环系统特别适 用于边远地区、人所），使系统建设成本和运行成本降低。国际上普 遍认为，随着燃料电池的推广应用，发展分散型电站将是一个趋势。（3）氢能电源的军事应用前景 随着现代科学技术的迅速发展及其在军事领域的广泛应用，以数字化 技术为核心的新兴信息技术将渗透到战场的各个领域，从侦察、监视 到预警，从通信、指挥到控制，从武器装备的自动化、精确制导和智 能化到各种电子战手段，信息技术装备已经成为覆盖整个战场的、决 定战争胜负的重要因素，它不仅构成总体作战的“神经系统”，而且 成为总体作战能力的“倍增器”

7、。电源作为信息技术装备的命脉，能 否连续、可靠、安全、灵活地供电是至关重要的，它是信息技术装备 密不可分的一部分。因为 pemfc 发电机工作温度低，红外辐射少，无震动，没有噪音，因 此特别适合用作为现代军用电源。1998年 8月，美国国防部在向国会 国防委员会呈递的报告中指出：移动电力是永久性防御设施最基本的 五大要素之一；燃料电池发电技术替代常规发电装置的迅速演变，给 未来发电系统采用氢气作为主燃料开辟了道路；因为能量转换效率（超过 60%）很高，操作维护极为简单，燃料电池发电机使氢能源作为 主燃料的应用极为可靠而高效。因此，把作战燃料改为氢，将获得更 加高效可靠的发电系统、更低的排放、更

8、低的噪音、极大地减小热辐 射和红外成像，便于伪装和隐蔽作战。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、单兵和部（分）队便 携电源、边远地区、海防哨所以及人防工程中都具有极好的应用前景。早在I960年代，美国航空航天局（nasa）就与通用电气公司（ge）联 合开发 pemfc 发电机，并多次用于双子星座卫星计划的飞行，特别是 1968年采用nafion膜后在发射的生物卫星上使用 pemfc发电机，其寿 命在实验室已达57000h。后来，nasa又与hamilton标准公司合作研 制 rfc（再生燃料电池）系统，目的是配合太阳能发

9、电系统组成用于火 星探测飞行器或月球基地的动力电源（太阳能电解水装置功率 35kw，pemfc发电机功率25kw）。美国空军也与treadwell公司签订协议研 究用于卫星的rfc系统（pemfc功率12kw,电压28v）。在超级移动装备（emi）应用方面，nasa与epsi公司合作开发采用金 属氢化物储氢的200wh和1500wh能量的pemfc系统，以替代现有装备 中采用的可充电电池，可有效提升能量储存密度和一次性充能能量以 及循环寿命、充能速度。pemfc 在军事领域的一个重大用途是作为海军舰艇的动力电源。pemfc 发电机作为潜艇不依赖于空气的推进动力（aip）源与斯特林发动机和 闭式

10、循环柴油机相比，具有效率高、噪音低和红外辐射小等优点，在 携带相同重量或体积的燃料气时，潜艇续航能力最强（大约为斯特林 发动机的 2 倍），且没有污染，因此 pemfc 是潜艇 aip 系统的最佳选 择。德国从 1980 年（也是世界上最早）开始研究基于 pemfc 发电机的 潜艇，目前德国已能生产212、214型号的基于pemfc发电机的潜艇。而美国海军与ap公司合作开始研制以柴油重整制氢为氢源的 pemfc发 电机，还与 treadwell 公司合作设计并制造了用于水下探测器的 pemfc 电源。pemfc 的诸多优点，使其在重要的民用设施如智能大厦、医院、宾馆 等以及国防（人防）领域都具有极好的应用前景。目前这些地方的供 电系统均采用以外电为主、柴油发电机组为辅的供电方式。当外电毁 坏启用柴油发电机组时，因为柴油发电机组存有烟气排放，隐蔽性差、震动大、噪音高、环保性能差等很多缺点，更不适合在未来高科技战 争中使用。因此，研究基于 pemfc的发电系统可有效利用氢能实现环 保，对民用供电和国防建设都有极为重大的意义。4 结束语 氢能的利用，特别是 pemfc 作为新一代发电技术，以其特有的高效率 和环保性引起了全世界的关注，极具开发和利用价值。随着 pemfc 的 技术持续提升和成本逐步降低，燃料电池将逐步获得应用，并有力地 推动氢能技术的发展。氢能与质子交换膜燃料电池