作者：楊貴恒;呂林;賀明智

1 引言

早在1995年，美國總統辦公廳科技政策辦公室公布的國家關鍵技術報告中，就將燃料電池列入維護國家經濟繁榮的至關重要的關鍵技術領域。同年，美國《時代周刊》也將燃料電池列為21世紀10大高新技術之首。美國喬治？華盛頓大學未來學家評出的未來10年10大技術突破中，燃料電池位于網絡生活之后列第 2位。從擔任沙特阿拉伯石油部長達20年的現任全球能源中心主任雅瑪尼，到依賴石化燃料驅動的內燃機而創造了汽車世紀的美國福特汽車公司現任董事長比里 ？福特，這些傳統能源的生產者和使用者都相信燃料電池技術將帶來石油時代和內燃機的終結，人類將進入可持續發展的綠色能源新時代。燃料電池已被國際著名刊物《經濟學家》和《世界觀察》等列為21世紀可持續發展的三大支柱之一。正是由于上述原因，目前已掀起全球范圍的燃料電池關鍵技術研究、樣品開發及示范應用熱潮。而在幾種主要的燃料電池（質子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池）中，質子交換膜燃料電池具有無腐蝕、壽命長，重量輕、體積小、比功率大，操作溫度低和起動快等特點，被認為是最有發展前途的新能源。

2 質子交換膜燃料電池及其系統

2.1 質子交換膜燃料電池的工作原理

燃料電池是一種不經過燃燒直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉變為電能的發電裝置。其工作原理與普通電池基本相同，也是通過電化學反應把物質的化學能轉變為電能。所不同的是，傳統電池是事先填充好內部物質，化學反應結束后，不能再釋放出電能;而燃料電池進行化學反應所需的物質是由外部不斷填充的，只要供應燃料，就能源源不斷地輸出電能和熱能。簡言之，普通電池是能量儲存裝置，而燃料電池是能量轉換裝置。

質子交換膜燃料電池主要有氫燃料電池、甲醇重整燃料電池和直接甲醇燃料電池三種。目前，尤以氫燃料電池倍受電源研究開發人員的注目。其工作原理如圖1所示：在電池的一端，氫氣通過管道或導氣板到達陽極，在陽極催化劑作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子（即質子）并釋放出帶負電的電子。即：H2→2H++2e-；反應生成物中，氫離子穿過陽極和陰極之間的固體電解質膜到達陰極，電子則通過外電路到達陰極。在電池另一端，氧氣（或空氣）通過管道或導氣板到達陰極。在陰極催化劑作用下，氧氣與氫離子及電子發生反應生成水。即：1/2O2+2H++2e-→H2O；總的化學反應為：H2+1/2O2→H2O。連續不斷地向電池輸送氫氣和氧氣， 電子就會在外電路連續運動形成電流，從而可以向負載輸出電能。從以上可以看出，氫燃料電池的生成物是對環境無害的純水，因此，使用氫燃料電池作動力源，不會造成大氣污染。

圖1 PEMFC工作原理示意圖

圖2 典型的PEMFC系統示意圖

2.2 質子交換膜燃料電池電源系統的構成

PEMFC電源系統除了核心部分電池堆外，還需要一些輔助系統才能正常工作。圖2是典型的PEMFC系統示意圖。整個系統除了電池堆外，必備的系統還包括：燃料供給系統、氧化劑及其循環系統、水／熱管理系統和控制系統。燃料和氧化劑循環系統的功能是向電推提供燃料氧化劑，同時循環回收反應未完全的氣體；水／熱管理系統主要是保證電池堆內部的水／熱平衡狀態；控制系統則根據負載對電池功率的要求，或電池的工作條件（壓力、溫度、電壓的變化），對反應氣體的流量、壓力、水／熱循環系統的水流速和溫度等進行控制和調節；它們是燃料電池正常工作的保證。這就是燃料電池發動機。

2.2.1 燃料電池（堆）

膜電極是PEMFC的核心，由氣體擴散層、催化劑層和質子交換膜組成。催化劑是將鉑分散成微小顆粒負載在高比表面的碳黑或石墨上，形成含量為20%的 Pt/C催化劑。鉑是貴金屬，資源稀少、價格昂貴。早期的膜電極Pt的載量為10mg/cm2以上，Pt的利用率很低。直到90年代，薄膜電極的出現，使 Pt載量大幅度降低［5，6］。近年來，隨著催化劑制備方法的深入研究，膜電極的Pt載量已降低至0.02mg/cm2，電性能亦得到提高。進一步降低載鉑量，尋找其它價廉的催化劑，一直是PEMFC研究的主要課題之一。

PEMFC不同于其它燃料電池之處就在于使用固態的質子交換膜作電解質。 20世紀60年代，美國GE公司為NASA研制的空間電源采用了聚苯乙炔磺酸膜，其穩定性、導電性均不理想，使用壽命也短。60年代中期，美國杜邦公司研制出新型全氟磺酸膜（Nafion系列材料）將PEMFC性能大幅度提高。目前在PEMFC中使用的質子交換膜均采用全氟化聚合物材料合成。該材料穩定性好、使用壽命長，但其制造成本過高，售價昂貴（約為600～800$/m2）。因此質子交換膜的研究，一是減少質子交換膜的用量，朝薄型電解質發展；二是研制新型價廉的質子交換膜。

2.2.2 燃料及其循環系統

PEMFC的燃料可選用純氫或碳氫化合物，如果電池以純氫為燃料，則系統結構相對簡單，僅由氫源、穩壓閥和循環回路組成，其中氫源可采用壓縮氫、液氫或金屬氫化物儲氫；穩壓閥控制燃料氣的壓力；循環回路用以循環利用過量的燃料氣，燃料氣的過量一方面是保證電化學反應的充分進行，另一方面也可以部分起到保持水平衡的作用，通常是采用一個循環泵或噴射泵將這部分氫送回到電池燃料氣的入口處，在這種情況下，可認為由氫源系統所提供的氫100%被用來發電。

如果PEMFC以碳氫化合物為燃料，則該系統結構要相對復雜的多，其中至要包括一個燃料處理器，用來將燃料或燃料與水的混合物轉換成蒸氣，這類轉換氣包括大部分氫、二氧化碳、水和微量的一氧化碳。另外，隨燃料處理器的不同，轉換器中可能還有氮氣。必須指出的是，在任何PEMFC系統中，轉換器中的惰性氣體和其它氣體都將不同程度的影響電池的性能。由于PEMFC的工作溫度通常在100。C以下，在典型的PEMFC系統中，CO很容易吸附在鉑催化劑上，引起催化劑中毒，導致電池性能下降。因而，必須將轉換氣中的CO濃度控制在100×10-6以下，這可通過一個轉換器或一個選擇氧化器來實現，通過這些措施，可保證燃料氣中的CO含量低于10×10- 6。

2.2.3 氧化劑及其循環系統

PEMFC的氧化劑可以是純氧或空氣，若以純氧作氧化劑，其系統組成和控制與純氫作燃料氣相類似。然而，從實用化和商業化的角度來考慮，PEMFC均采用空氣作氧化劑，其中對應與不同的應用需要，空氣可以是常壓的，也可以是壓縮的。通常，采用常壓空氣作氧化劑，可簡化系統的結構，考慮到電池性能隨氧壓力的增大而升高，因而在獲得同等電池性能的前提下，采用常壓空氣作氧化劑的 PEMFC系統必須具有較大的尺寸和更高的制造成本。采用常壓空氣帶來的另外一個問題是增加了電池系統水/熱管理的難度，這種缺點對小型低功率電池系統的影響并不明顯，但對大型商用電源來說，其負面影響不可忽視。正是由于上述原因，在PEMFC的眾多應用中，均采用壓縮空氣作氧化劑，盡管增加了氧化劑及其循環系統的復雜性。通常，這樣一個系統都包含有一個由PEMFC驅動的壓縮機和一個可從排放氣中回收部分能量的超級壓縮器。一般來說，采用何種形式的氧化劑，取決于特定應用場合下系統效率、重量及制造成本之間的平衡。

2.2.4 水/熱管理系統

圖2中所示的水/熱管理系統是以壓縮空氣作氧化劑的PEMFC所采用的典型的水/熱管理系統，大部分的反應產物水通過過量的空氣流從陰極排出。通常，氧化劑的流量是PEMFC發生反應所需化學計量流量的2倍。由于PEMFC的最佳工作溫度為70～90。C，反應產物均以液態形式存在，易于收集，因而相對其它類型的燃料電池而言， PEMFC的水管理系統更為簡單，另外，在其它的一些系統中反應產物水也可由陽極排出。

在多數PEMFC系統中，反應產物水被用于系統的冷卻和部分用來加濕燃料氣和氧化劑，如圖2所示，產物水首先通過燃料電池堆的反應區冷卻電堆本身，在冷卻的過程中水蒸氣被加熱至燃料電池的工作溫度，被加熱的水再與反應氣體接觸，起到增濕的效果。除了在增濕的過程中，部分熱量被反應氣體帶走外，還需要一個進一步的熱交換過程，將水中多余的熱量帶走，防止 PEMFC系統熱量逐步積累，造成電池溫度上升，性能下降。這種熱交換過程通常是采用一個水/空氣熱交換器來完成，當然在一些特殊的PEMFC系統中，這部分過多的熱量也可用作空調加熱和飲用熱水來使用。

2.2.5 控制系統

PEMFC系統是一個由眾多子系統組成的復雜系統，系統中的每一部分既相互獨立，又相互聯系，任一部分工作失常都將直接影響電池性能。為了保證整個系統可靠運行，需要多種功能不同的閥件、傳感器和水、熱、氣調節控制裝置，由這些控制裝置及其相應的管路組成的控制系統在很大程度上決定了PEMFC系統的實用性，如作為筆記本電腦電源的小型 PEMFC，在燃料電池本體已實現微型化的前提下，控制系統也必須實現微型化。Hodkinson R.L曾指出，近幾年隨著PEMFC技術的不斷完善，在小型PEMFC系統的制造成本中，占主導的不再是電堆本身，而是控制系統和能量轉換系統，他認為對于成本為1000$/kW的燃料電池系統，在批量生產的條件下，電堆本身的成本不會超過100$/kW，因而關鍵是要降低控制系統的成本。為此， Polaron Group開發出一系列具有商用價值的PEMFC控制系統部件。

針對PEMFC的不同應用場合和要求，要選擇合適的閥并非一件易事。事實上，閥本身成本并不高，重量也可以接受，但問題在于如何得到或設計這些特定的閥。目前，由于燃料電池并沒有統一的標準，其控制系統中所涉及到的一些控制部件大部分是來自其他行業，這樣很難保證它們與燃料電池系統的配套性。此外，控制部件的安全性也是一個必須注意的問題。

另外，質子交換膜燃料電池所產生的電能為直流電，其輸出電壓因受內阻的影響還隨負荷的變化而改變。基于上述原因，為滿足大多數負載對交流供電和電壓穩定度的要求，在燃料電池系統的輸出端，須要配置功率變換單元。當負載需要交流供電時，應采用DC/AC變換器；當負載要求直流供電時，也需要用DC/DC變換器實現燃料電池組輸出電能的升壓與穩壓。

3.質子交換膜燃料電池在電源方面的應用

燃料電池以其能量轉換效率高、對環境污染小、可靠性和維護性好等諸多優點，被譽為繼水力、火力和核能之后的第四代發電裝置，而PEMFC更以其獨特的優勢，成為適應性最廣的燃料電池類型。總的來說，PEMFC的應用范圍包括兩方面：固定式電源（分散型電站）和移動式電源。

3.1 固定式電源（分散型電站）

PEMFC應用于大規模中心發電廠，與傳統的發電技術相比，盡管在效率和環境保護方面存在一定的優勢，但考慮到制造成本以及燃料方面所受到的限制， PEMFC不宜作為中心發電廠的發電裝置，但我們知道，發電廠如果規模太小，就會得不償失，而PEMFC就非常靈活，可做成任意規模，因此PEMFC作為分散型電站，其應用前景相當可觀。

PEMFC分散型電站可以與電網供電系統共用，主要用于調峰；也可作為分散型主供電源，獨立供電，適于用作海島、山區、邊遠地區或新開發地區電站。

與集中供電方式相比，分散供電方式有較多的優點：（1）可省去電網線路及配電調度控制系統；（2）有利于熱電聯供（由于PEMFC電站無噪聲，可以就近安裝，PEMFC發電所產生的熱可以進入供熱系統），可使燃料總利用率高達80%以上；（3）受戰爭和自然災害等的影響比較?。唬?）通過天然氣、煤氣重整制氫，可利用現有天然氣、煤氣供氣系統等基礎設施為PEMFC提供燃料，通過生物制氫、太陽能電解制氫方法則可形成循環利用系統（這種循環系統特別適用于廣大的農村和邊遠地區），使系統建設成本和運行成本大大降低。因此，PEMFC電站的經濟性和環保性均很好。國際上普遍認為，隨著燃料電池的推廣應用，發展PEMFC分散型電站將是一大趨勢。

3.2 移動式電源

一是用作便攜電源、小型移動電源、車載電源、備用電源、不間斷電源等，適用于軍事、通訊、計算機、地質、微波站、氣象觀測站、金融市場、醫院及娛樂場所等領域，以滿足野外供電、應急供電以及高可靠性、高穩定性供電的需要。

PEMFC電源的功率最小的只有幾瓦，如手機電池［12］。據報道，PEMFC手機電池的連續待機時間可達1000小時，一次填充燃料的通話時間可達 100小時（摩托羅拉）。適用于筆記本電腦等便攜電子設備的PEMFC電源的功率范圍大致在數十瓦至數百瓦（東芝）。軍用背負式通訊電源的功率大約為數百瓦級。衛星通訊車用的車載PEMFC電源的功率一般為數千瓦級。

二是可用作助動車、摩托車、汽車、火車、船舶等交通工具動力，以滿足環保對車輛船舶排放的要求。

PEMFC的工作溫度低，啟動速度較快，功率密度較高（體積較?。Ｒ虼?，很適于用作新一代交通工具動力。這是一項潛力十分巨大的應用。由于汽車是造成能源消耗和環境污染的首要原因，因此，世界各大汽車集團競相投入巨資，研究開發電動汽車和代用燃料汽車。從目前發展情況看，PEMFC是技術最成熟的電動車動力源，PEMFC電動車被業內公認為是電動車的未來發展方向。PEMFC可以實現零排放或低排放；其輸出功率密度比目前的汽油發動機輸出功率密度高得多，可達1.6KW/升。

用作電動自行車、助動車和摩托車動力的PEMFC系統，其功率范圍分別是300-500W、500W-2KW、2-10KW。游覽車、城市工程車、小轎車等輕型車輛用的PEMFC動力系統的功率一般為10-60KW。公交車的功率則需要100-175KW。

PEMFC用作潛艇動力源時，與斯特林發動機及閉式循環柴油機相比，具有效率高、噪聲低和低紅外輻射等優點，對提高潛艇隱蔽性、靈活性和作戰能力有重要意義。美國、加拿大、德國、澳大利亞等國海軍都已經裝備了以PEMFC為動力的潛艇，這種潛艇可在水下連續潛行一個月之久。

綜上所述：PEMFC應用廣，市場潛力大，對產業結構升級、環境保護及經濟的可持續發展均有重要意義。

4. PEMFC電源系統商業化前景

質子交換膜燃料電池電源系統雖具有高效、環境友好等突出優點，但受以下因素的影響，導致其商業化的推廣旅程還很艱辛。

（1） 價格局限。由于質子交換膜尚未產業化，成本較高，再加上使用貴金屬——鉑作催化劑，因此燃料電池的價格雖然已有所降低，但與汽油、柴油發動機相比（約50$/kW）還有較大差距。

（2） 燃料的限制。目前質子交換膜燃料電池，主要以純氫氣為燃料。由于現有的燃料供給設施的限制，氫燃料的補給是制約質子交換膜燃料電池推廣的瓶頸。鑒于此各國紛紛研制、開發碳氫液體燃料的質子交換膜燃料電池。甲醇、汽油等燃料重整質子交換膜燃料電池的研究已取得可喜成果，如能在關鍵技術上突破，則可利用現有的燃料配給設施補給燃料，但是目前距離實際應用還有一段距離。

由此可見，質子交換膜燃料電池電源是一種高效率、低噪聲的新型發電設備。在研制過程中，不僅需要性能優良、運行可靠的質子交換膜燃料電池組（堆），同時須要燃料貯存、氧化劑（空氣）供給、溫度調節，以及系統控制等功能單元的科學合理配置。PEMFC電源在技術上已基本成熟，其推廣應用的障礙主要是價格問題。但我們只要回顧一下電子計算機從電子管到晶體管、從小規模集成電路到中大規模集成電路，最后到超大規模集成電路的幾代發展史，我們不難得出推斷：PEMFC電源最終將與計算機一樣進入各行各業，千家萬戶。

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