标题：质子交换膜燃料电池
简介
两电极的反应分别为：
阳极(负极)：2H2 -> 4H+ + 4e-
阴极(正极)： O2+4e-+4H+ -> 2H2O
注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V 之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。电堆构成电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆，如附图所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。电堆核心电堆的核心是MEA组件和双极板。MEA是将两张喷涂有Nafion溶液及Pt催化剂的碳纤维纸电极分别置于经预处理的质子交换膜两侧，使催化剂靠近质子交换膜，在一定温度和压力下模压制成。双极板常用石墨板材料制作，具有高密度、高强度，无穿孔性漏气，在高压强下无变形，导电、导热性能优良，与电极相容性好等特点。常用石墨双极板厚度约2～3.7mm，经铣床加工成具有一定形状的导流流体槽及流体通道，其流道设计和加工工艺与电池性能密切相关。优点质子交换膜燃料电池具有如下优点：其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。
通常，质子交换膜燃料电池的运行需要一系列辅助设备与之共同构成发电系统。质子交换膜燃料电池发电系统由电堆、氢氧供应系统、水热管理系统、电能变换系统和控制系统等构成。电堆是发电系统的核心。发电系统运行时，反应气体氢气和氧气分别通过调压阀、加湿器(加湿、升温)后进入电堆，发生反应产生直流电，经稳压、变换后供给负载。电堆工作时，氢气和氧气反应产生的水由阴极过量的氧气(空气)流带出。未反应的(过量的)氢气和氧气流出电堆后，经汽水分离器除水，可经过循环泵重新进入电堆循环使用，在开放空间也可以直接排放到空气中。水、热管理水、热管理是质子交换膜燃料电池 发电系统的重要环节之一。电堆运行时，质子交换膜需要保持一定的湿度，反应生成的水需要排除。不同形态的水的迁移、传输、生成、凝结对电堆的稳定运行都有很大影响，这就产生了质子交换膜燃料电池 发电系统的水、热管理问题。通常情况下，电堆均需使用复杂的纯水增湿辅助系统用于增湿质子交换膜，以免电极“干死”(质子交换膜传导质子能力下降，甚至损坏)；同时又必须及时将生成的水排出，以防电极“淹死”。由于质子交换膜燃料电池的运行温度一般在80℃左右，此时其运行效能最好，因此反应气体进入电堆前需要预加热，这一过程通常与气体的加湿过程同时进行；电堆发电时产生的热量将使电堆温度升高，必须采取适当的冷却措施，以保持质子交换膜燃料电池电堆工作温度稳定。这些通常用热交换器与纯水增湿装置进行调节，并用计算机进行协调控制。机电一体化集成为了确保质子交换膜燃料电池电堆的正常工作，通常将电堆、氢气和氧气处理系统、水热管理系统及相应的控制系统进行机电一体化集成，构成质子交换膜燃料电池发电机。根据不同负载和环境条件，配置氢气和氧气存储系统、余热处理系统和电力变换系统，并进行机电一体化集成就可构成质子交换膜燃料电池发电站。
通常，质子交换膜燃料电池发电站由质子交换膜燃料电池发电机和氢气生产与储存装置、空气供应保障系统、氢气安全监控与排放装置、冷却水罐和余热处理系统、电气系统及电站自动控制系统构成。
氢气存储装置为发电机提供氢气，其储量按负荷所需发电量确定。氢气存储方式有气态储氢、液态储氢和固态储氢，相应的储氢材料也有多种，主要按电站所处环境条件及技术经济指标来决定。氢气存储是建设质子交换膜燃料电池发电站的关键问题之一，储氢方式、储氢材料选择关系整个电站的安全性和经济性。空气供应保障系统对地面开放空间的质子交换膜燃料电池应用(如燃料电池电动车)不成问题，但对地下工程或封闭空间的应用来说却是一个十分重要的问题，如何设置进气通道必须进行严格的论证。氢气安全监控与排放装置是氢能发电站的一个特有问题，由于氢气是最轻的易燃易爆气体，氢气储存装置、输送管道、阀门管件、质子交换膜燃料电池电堆以及电堆运行的定时排空都可能引起氢气泄漏，为防止电站空间集聚氢气的浓度超过爆炸极限，必须实时检测、报警并进行排放消除处理。氢气安全监控与排放消除装置由氢气敏感传感器、监控报警器及排放风机、管道和消氢器等组成，传感器必须安装在电站空间的最高处。冷却水箱或余热处理系统是吸收或处理质子交换膜燃料电池发电机运行产生的热量，保障电站环境不超温。将质子交换膜燃料电池发电站的余热进行再利用，如用于工程除湿、空调、采暖或洗消等，实现电热联产联供，可大大提高燃料利用效率，具有极好的发展与应用前景。电气系统根据工程整体供电方式和结构对质子交换膜燃料电池发电机发出电力进行处理后与电网并联运行或/和直接向负载供电，涉及潮流、开关设备、表盘和继电保护等。采用质子交换膜燃料电池发电站可以实现工程应急电网的多电源分布式供电方式，因此其电气及变配电系统是一个值得深入研究的问题。电站自动化系统是为保障质子交换膜燃料电池发电站正常工作、可靠运行而设置的基于计算机参数检测与协调控制的自动装置，一般应采用分布式控制系统(DCS)或现场总线控制系统(FCS)。主要设备包括现场智能仪表或传感器、变送器，通讯总线和控制器，并提供向工程控制中心联网通讯的接口。主要功能包括参数检测、显示、报警，历史数据存储，故障诊断，事故追忆，操作指导，控制保护输出和数据信息管理等，是质子交换膜燃料电池 电站信息化、智能化的核心。应用前景质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年的基础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。由于质子交换膜燃料电池发电系统有望成为移动装备电源和重要建筑物备用电源的主要发展方向，因此有许多问题需要进行深入的研究。就备用氢能发电系统而言，除质子交换膜燃料电池单电池、电堆质量、效率和可靠性等基础研究外，其应用研究主要包括适应各种环境需要的发电机集成制造技术， 质子交换膜燃料电池发电机电气输出补偿与电力变换技术，质子交换膜燃料电池发电机并联运行与控制技术，备用氢能发电站制氢与储氢技术，适应环境要求的空气(氧气)供应技术，氢气安全监控与排放技术，氢能发电站基础自动化设备与控制系统开发，建筑物采用质子交换膜燃料电池氢能发电电热联产联供系统，以及质子交换膜燃料电池氢能发电站建设技术等等。采用质子交换膜燃料电池氢能发电将大大提高重要装备及建筑电气系统的供电可靠性，使重要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电的方式向市电与中、小型质子交换膜燃料电池发电装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电的灵活发供电系统转变，极大地提高建筑物的智能化程度、节能水平和环保效益。
作用
质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。 质子交换膜迄今最常用的质子交换膜（PEMFC）仍然是美国杜邦公司的Nafion质子交换膜，具有质子电导率高和化学稳定性好的优点，PEMFC大多采用Nafion质子交换等全氟磺酸膜，国内装配PEMFC所用的PEM主要依靠进口。但Nafion质子交换类膜仍存在下述缺点：(1)制作困难、成本高，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高；(2)对温度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作温度为70～90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题；(3)某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换膜。
Nafion膜的价格在600美元每平方米左右，相当于120美元每千瓦（单位电池电压为0.65V）。在燃料电池系统中，膜的成本几乎占总成本的20%~30%。为尽早实现燃料电池的商业化应用，降低质子交换膜的价格迫在眉睫。加拿大的巴拉德公司在质子交换膜领域做了后来居上的工作，使人们看到了交换膜商业化的希望。据研究计划报道，其第三代质子交换膜BAM3G，是部分氟化的磺酸型质子交换膜，演示寿命已经超过4500h，其价格已经降到50美元每立方米，这相当于10美元每千瓦（单位电池电压为0.65V）。
全球最大质子交换膜燃料电池示范电站在华南理工建成  作为电动汽车的一种，燃料电池汽车被认为是人类解决汽车污染问题以及汽车对石油依赖的最佳和最终方案。这是由于燃料电池的化学反应过程不会产生有害物质，仅排放少量水蒸气，同时其能量转换效率比内燃机高2~3倍。装有这种电池的汽车只需像加油一样加注氢气，便可继续行驶。
除应用于汽车，燃料电池在交通、军事、通讯等领域均具有广阔的应用前景。发达国家均投入巨大的人力物力从事这一技术的研发，国内从事燃料电池的研究单位也多达30多家。
这其中就包括华南理工大学。落户校园2010年2月全球最大的质子交换膜燃料电池示范电站落户广州大学城。由华南理工大学自己设计、自己建造的这座示范电站的落成，标志着广东省在燃料电池技术这一重要的新能源技术研究和开发方面走在了世界的前列，也为质子交换膜燃料电池这项新能源技术在广东省的商业化奠定了重要的基础。[1]电站的示范意义为什么要建设一座全球最大的示范电站？廖世军告诉记者：“示范展示是一项新技术走向商业化的必经一步。燃料电池技术的逐级放大，涉及诸多难题，只有达到一定容量的示范，才能使技术成熟并最终走向商业化；建设示范电站既是为了向公众展示质子交换膜燃料电池这项新的能源技术，也是为了测试这种技术的可行性、发现这项技术存在哪些问题以及如何改进。电站越大，建设难度就越高，出现的问题也就越多、越明显。”
示范电站可以实现24小时运转，产生的电流直接输送到学校的380V低压电网上，满负荷运行时可满足电站附近的豪华准五星级酒店——华工国际学术中心正常运营。“示范电站副产热水为50摄氏度左右，非常适合作为生活用的热水。在热和电都得到充分利用的情况下，燃料电池电站的能源利用率将达到90%。”廖世军介绍。
在示范电站，天然气首先转化成氢气，氢气进入燃料电池发电机组产生电流和热水。
据介绍，由华南理工大学设计开发的制氢工艺，天然气制氢效率接近2.0，即1立方米天然气可生成将近2立方米的氢气，比国内一些同类制氢设施的效率高20%~30%。产生的电量比直接燃烧天然气发电至少高30%，污染物的排放则同比减少60%。燃料电池发电高效率和低排放的优点展露无遗。降低成本燃料电池技术研发数十年，一直未能大范围推广，除存在稳定性、耐久性等问题，追根究底，高昂成本也是商业化的瓶颈。
廖世军告诉记者，国外质子交换膜燃料电池的价格高达每千瓦7万元人民币左右，给一辆小汽车安装一台50千瓦的电池系统，光电池就要350万元。因此，在技术攻关的同时，如何有效降低燃料电池成本也一直是课题组的重要研究内容。[1]
由于各项新技术的使用，华南理工大学研发的燃料电池成本已降至每千瓦6000~7000元人民币，仅是国际市场价格的1/10。[1]
“与传统发电技术相比，这个成本还是偏高的，但和其他新能源如太阳能等相比，却便宜了不少。”廖世军算了一笔账，按每千瓦6000元人民币计算，燃料电池汽车的成本仍然不便宜，然而对比一下，氢气却比汽油便宜得多！[1]
为促进燃料电池的开发利用，我国已经出台补贴政策，买一辆燃料电池汽车，直接补贴人民币30万元。另外，燃料电池规模化生产后，成本还有很大的下降空间。同时，许多国家政府均表示，一旦燃料电池大范围商业化推广，各地加氢站的建设将不是问题，燃料电池走进平民百姓家指日可待。
几年来，除了顺利完成电站的建设之外，华南理工大学在质子交换膜燃料电池的核心技术攻关方面也取得了一系列重要成果，包括高分散高活性催化剂制备技术、光照下直接涂膜制备膜电极技术、低铂催化剂制备技术、超低铂载量膜电极制备技术等。课题组共申请燃料电池核心技术专利8项，获授权4项，申请国际发明专利1项。
谈到下一步的打算，廖世军表示：“我们将利用广州现代产业技术研究院这一平台开展燃料电池的产业化工作，致力于开发系列燃料电池备用电源、基站通讯电源、家用热电联供系统等系列产品。我们希望进一步降低燃料电池的成本，促进燃料电池技术在广东省的发展和商业化进程。”
发展现状
20世纪60年代，美国首先将PEMFC用于Gemini宇航飞行。伴随着全氟磺酸型质子交换膜碳载铂催化剂等关键材料的应用和发展，80年代，PEMFC的研究取得了突破性进展，电池的性能和寿命大幅提高，电池组的体积比功率和质量比功率分别达到1000W/L、700W/kg，超过了DOE和PNGV制定的电动车指标。90年代以来，基于质子交换膜燃料电池高速进步，各种以其为动力的电动汽车相继问世，至今全球已有数百台以PEMFC为动力的汽车、潜艇、电站在国内外示范运行。表4-4-1列出了国内外开发的几种燃料电池汽车的主要性能指标，性能完全可以与内燃机相媲美。
表4-4-1 国内外开发的几种燃料电池汽车的主要性能指标
ChaoYue3（中国）
Fokus FCV（福特）
Hydrogen 3（通用）
Power
50kW+15Ah
75kW
75kW
Motor Power
65kW（max）
70kW（max）
70kW（max）
Max Speed
122km/h
128km/h
140km/h
Acceleration
19(0~100)
15(0~100)
15(0~100)
Climb
>20%
>20%
>20%
Rang
230km
250km
400km（liq. H2）
Fuel Consumption
1.12kg/100km
1.76kg/100km
1.75kg/100km
由于质子交换膜燃料电池高效、环保等突出优点，引起了世界各发达国家和各大公司高度重视，并投巨资发展这一技术。美国政府将其列为对美国经济发展和国家安全至为关键的27个关键技术领域之一；加拿大政府将燃料电池产业作为国家知识经济的支柱产业之一加以发展；美国三大汽车公司（GM，Ford ,Chryster）、德国的Dajmier-Benz、日本的Toytomotor等汽车公司均投入巨资开发PEMFC汽车。
处于领先地位的加拿大Ballard公司已经开始出售商业化的各种功率系列的PEMFC装置。
在我们有中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、上海空间电源研究所、上海神力等很多单位在开展PEMFC的研究，并取得了长足进展，接近国外先进水平。就技术而言，千瓦级的PEMFC技术已基本成熟，阻碍其大规模商业化的主要原因是燃料电池的价格还远远没有达到实际应用的要求，影响燃料电池成本的两大因素是材料价格昂贵和组装工艺没有突破，例如使用贵金属铂作为催化剂；昂贵的质子交换膜及石墨双击板加工成本等，导致PEMFC成本约为汽油、柴油发动机成本（50$/kW）的10~20倍。PEMFC要作为商品进入市场，必须大幅度降低成本，这有赖于燃料电池关键材料价格的降低和性能的进一步提高。