PEMFC电源系统的工作原理及应用范围

早在1995年，美国总统办公室政策科技办公室发表的《国家关键技术报告》就将燃料电池列为对维持国家经济繁荣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世纪十大高科技。美国的乔治？在未来10年的10大技术突破中，华盛顿大学的未来学家将燃料电池排在网络生活之后的第二位。从担任沙特石油部长20年的全球能源中心现任主任雅马尼，到依靠石化燃料驱动的内燃机开创汽车世纪的福特汽车公司现任董事长比利。这些传统能源的生产者和使用者福特，认为，燃料电池技术将带来石油时代和内燃机的终结，人类将进入一个可持续绿色能源的新时代。燃料电池被国际著名出版物《经济学家》和《世界观察》列为21世纪可持续发展的三大支柱之一。由于上述原因，世界范围内出现了燃料电池关键技术研究、样品开发和示范应用的热潮。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、比功率高、工作温度低、启动快等特点，被认为是最有前途的新能源。
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燃烧直接通过电化学反应将燃料化学能转化为电能的发电装置。其工作原理与普通电池基本相同，也通过电化学反应将物质的化学能转化为电能。不同的是，传统的电池是预先充入内部物质，经过化学反应后，不再能释放电能；燃料电池进行化学反应所需的材料是不断从外部填充的，所以只要提供燃料，电能和热能就可以不断输出。简而言之，普通电池是储能装置，燃料电池是能量转换装置。
质子交换膜燃料电池主要包括氢燃料电池、甲醇重整燃料电池和直接甲醇燃料电池。目前，氢燃料电池已经引起了电源研究者的关注。其工作原理见如图1:在电池的一端，氢气通过管道或气体导流板到达阳极，在阳极催化剂的作用下，氢分子离解成带正电的氢离子(即质子)，释放出带负电的电子。即H22h2e-；在反应产物中，氢离子通过阳极和阴极之间的固体电解质膜到达阴极，而电子通过外部电路到达阴极。在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或气体导板到达阴极。在阴极催化剂的作用下，氧与氢离子和电子反应生成水。即1/2o  2 h2e-H2O；总化学反应为H2 1/2O2H2O。当氢气和氧气不断输送到电池中时，电子会在外部电路中不断运动，形成电流，可以向负载输出电能。从上面可以看出，氢燃料电池的产品是对环境无害的纯水。因此，使用氢燃料电池作为动力源不会造成空气污染。2.2质子交换膜燃料电池供电系统的组成
除了核心电池组，PEMFC供电系统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。除了电池组，整个系统的必要系统还包括：燃料供应系统、氧化剂及其循环系统、水/热管理系统和控制系统。燃料氧化剂循环系统的作用是为电力推进提供燃料氧化剂，同时回收反应不完全的气体。水/热管理系统主要是保证堆内的水/热平衡状态；控制系统控制和调节反应气体的流量和压力、水/热循环系统的水流速和温度等。根据负载对电池功率的要求或电池的工作条件(压力、温度和电压的变化)。它们是燃料电池正常运行的保证。这是燃料电池发动机。
2.2.1燃料电池(电池组)
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。该催化剂是一种铂碳催化剂，含有20%的铂，分散在细颗粒中，负载在高比表面积的炭黑或石墨上。铂是一种资源稀缺、价格昂贵的贵金属。早期，铂在膜电极上的负载量大于10毫克/平方厘米，铂的利用率很低。直到20世纪90年代，薄膜电极的出现大大降低了铂的负载量[5，6]。近年来，随着催化剂制备方法的深入研究，膜电极的铂负载量降低到0.02mg/cm2，电性能也有所改善。进一步降低铂负载和寻找其他廉价催化剂一直是PEMFC研究的主要课题之一。
PEMFC不同于其他燃料电池，它使用固体质子交换膜作为电解质。20世纪60年代，美国GE公司为NASA开发的空间电源采用聚苯乙炔磺酸膜，稳定性和导电性差，使用寿命短。20世纪60年代中期，杜邦公司开发了一种新型全氟磺酸膜(Nafion系列材料)，大大提高了PEMFC的性能。目前，PEMFC使用的质子交换膜都是全氟聚合物材料合成的。材料稳定性好，使用寿命长，但制造成本太高，售价昂贵(600 ~ 800美元/m2左右)。因此，质子交换膜的研究方向是减少质子交换膜的用量，向薄电解质方向发展；二是开发新型廉价的质子交换膜。2.2.2燃料及其循环系统
PEMFC的燃料可以是纯氢或碳氢化合物。如果电池使用纯氢作为燃料，系统结构相对简单，仅由氢源，稳压阀和循环回路组成，其中氢源可以使用压缩氢、液态氢或金属氢化物储存氢。稳压阀控制燃气压力；循环回路用于回收多余的燃气。过量的燃气一方面可以保证电化学反应的充分进行，另一方面也可以部分保持水平衡。通常用循环泵或喷射泵将这部分氢气送回电池的燃气入口。在这种情况下，可以认为氢源系统提供的氢气100%用于发电。
如果PEMFC使用碳氢化合物作为燃料，系统的结构就复杂得多，包括一个燃料处理器，用于将燃料或燃料和水的混合物转化为蒸汽，其中包括大部分氢气、二氧化碳、水和微量一氧化碳。此外，根据燃料处理器的不同，转化器中可能会有氮气。必须指出，在任何PEMFC系统中，转换器中的惰性气体和其他气体都会不同程度地影响电池的性能。PEMFC的工作温度通常是100。C以下，在典型的PEMFC系统中，CO容易吸附在铂催化剂上，导致催化剂中毒，导致电池性能下降。因此，转化气体中的一氧化碳浓度必须控制在100  10-6以下，这可以通过转化器或选择性氧化剂来实现。通过这些措施，可以保证燃气中的一氧化碳含量低于10  10-6。
2.2.3氧化剂及其循环系统
PEMFC的氧化剂可以是纯氧或空气。如果用纯氧作氧化剂，其系统组成和控制类似于用纯氢作燃料气。然而，从实际和商业角度来看，PEMFC使用空气作为氧化剂，根据不同的应用要求，可以是常压或压缩空气。通常，使用大气作为氧化剂可以简化系统的结构。考虑到电池性能随着氧压的增加而增加，在获得相同电池性能的前提下，使用大气作为氧化剂的PEMFC系统必须具有更大的尺寸和更高的制造成本。使用大气带来的另一个问题是增加了电池系统水/热管理的难度。这个缺点对小功率的电池系统没有明显的影响，但对大商用电源的负面影响是不可忽视的。由于这些原因，压缩空气在PEMFC的许多应用中被用作氧化剂，尽管它增加了氧化剂及其循环系统的复杂性。通常，这样的系统包括由PEMFC驱动的压缩机和能够从废气中回收部分能量的超级压缩机。一般来说，所用氧化剂的类型取决于具体应用中系统效率、重量和制造成本之间的平衡
2.2.4水/热管理系统
图2所示的水/热管理系统是PEMFC采用的典型水/热管理系统，以压缩空气作为氧化剂，大部分反应产物水通过过量的空气流从阴极排出。通常，氧化剂的流量是PEMFC反应所需的化学计量流量的两倍。因为PEMFC的最佳工作温度是70 ~ 90。反应产物以液体形式存在，易于收集，因此与其他类型的燃料电池相比，PEMFC的水管理系统更简单。此外，在其他系统中，反应产物水也可以从阳极排出
在大多数PEMFC系统中，反应产物水用于冷却系统并部分加湿燃料气体和氧化剂。如如图2所示，产物水首先通过燃料电池堆的反应区冷却电池堆本身。在冷却过程中，水蒸气被加热到燃料电池的工作温度，并且被加热的水与反应气体接触以实现加湿。除加湿过程外，部分热量被反应气体带走，需要进一步的热交换过程带走水中多余的热量，以防止PEMFC系统逐渐积累热量，导致电池温度上升，性能下降。这种热交换过程通常由水/空气热交换器完成。当然，在一些特殊的PEMFC系统中，这些多余的热量也可以用于空调加热和饮用热水
2.2.5控制系统
PEMFC系统是由许多子系统组成的复杂系统。系统的各个部分相互独立又相互关联，系统的任何一部分都会直接影响电池的性能。为了保证整个系统的可靠运行，需要各种阀门、传感器和水、热和气体调节控制装置。由这些控制装置及其相应的管路组成的控制系统在很大程度上决定了PEMFC系统的实用性。例如，作为笔记本电脑的小型PEMFC电源，控制系统必须在燃料电池本身已经小型化的前提下小型化。霍奇金森指出，随着近年来PEMFC技术的不断进步，控制系统和能量转换系统，而不是电池组本身，主导了小PEMFC系统的制造成本。他认为对于成本1000 $/kW的燃料电池系统，在量产的情况下，电池组本身的成本不会超过100$/kW，所以关键是降低控制系统的成本。因此，宝龙集团开发了一系列具有商业价值的PEMFC控制系统部件
为PEMFC的不同应用和要求选择合适的阀门并不容易。其实阀门本身并不贵，重量也是可以接受的，问题在于这些特殊的阀门如何获取或者设计。目前，由于燃料电池没有统一的标准，其控制系统中涉及的控制部件大多来自其他行业，很难保证其与燃料电池系统的兼容性。此外，控制部件的安全性也是必须注意的问题3.2移动式电源
一是用作便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、不间断电源等，适用于军事、通讯、计算机、地质、微波站、气象观测站、金融市场、医院及娱乐场所等领域，以满足野外供电、应急供电以及高可靠性、高稳定性供电的需要。
PEMFC电源的功率最小的只有几瓦，如手机电池［12］。据报道，PEMFC手机电池的连续待机时间可达1000小时，一次填充燃料的通话时间可达100小时（摩托罗拉）。适用于笔记本电脑等便携电子设备的PEMFC电源的功率范围大致在数十瓦至数百瓦（东芝）。军用背负式通讯电源的功率大约为数百瓦级。卫星通讯车用的车载PEMFC电源的功率一般为数千瓦级。
二是可用作助动车、摩托车、汽车、火车、船舶等交通工具动力，以满足环保对车辆船舶排放的要求。
PEMFC的工作温度低，启动速度较快，功率密度较高（体积较小）。因此，很适于用作新一代交通工具动力。这是一项潜力十分巨大的应用。由于汽车是造成能源消耗和环境污染的首要原因，因此，世界各大汽车集团竞相投入巨资，研究开发电动汽车和代用燃料汽车。从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力源，PEMFC电动车被业内公认为是电动车的未来发展方向。PEMFC可以实现零排放或低排放；其输出功率密度比目前的汽油发动机输出功率密度高得多，可达1.6KW/升。
用作电动自行车、助动车和摩托车动力的PEMFC系统，其功率范围分别是300-500W、500W-2KW、2-10KW。游览车、城市工程车、小轿车等轻型车辆用的PEMFC动力系统的功率一般为10-60KW。公交车的功率则需要100-175KW。
PEMFC用作潜艇动力源时，与斯特林发动机及闭式循环柴油机相比，具有效率高、噪声低和低红外辐射等优点，对提高潜艇隐蔽性、灵活性和作战能力有重要意义。美国、加拿大、德国、澳大利亚等国海军都已经装备了以PEMFC为动力的潜艇，这种潜艇可在水下连续潜行一个月之久。
综上所述：PEMFC应用广，市场潜力大，对产业结构升级、环境保护及经济的可持续发展均有重要意义。
4.PEMFC电源系统商业化前景
质子交换膜燃料电池电源系统虽具有高效、环境友好等突出优点，但受以下因素的影响，导致其商业化的推广旅程还很艰辛。
（1）价格局限。由于质子交换膜尚未产业化，成本较高，再加上使用贵金属——铂作催化剂，因此燃料电池的价格虽然已有所降低，但与汽油、柴油发动机相比（约50$/kW）还有较大差距。
（2）燃料的限制。目前质子交换膜燃料电池，主要以纯氢气为燃料。由于现有的燃料供给设施的限制，氢燃料的补给是制约质子交换膜燃料电池推广的瓶颈。鉴于此各国纷纷研制、开发碳氢液体燃料的质子交换膜燃料电池。甲醇、汽油等燃料重整质子交换膜燃料电池的研究已取得可喜成果，如能在关键技术上突破，则可利用现有的燃料配给设施补给燃料，但是目前距离实际应用还有一段距离。
由此可见，质子交换膜燃料电池电源是一种高效率、低噪声的新型发电设备。在研制过程中，不仅需要性能优良、运行可靠的质子交换膜燃料电池组（堆），同时须要燃料贮存、氧化剂（空气）供给、温度调节，以及系统控制等功能单元的科学合理配置。PEMFC电源在技术上已基本成熟，其推广应用的障碍主要是价格问题。但我们只要回顾一下电子计算机从电子管到晶体管、从小规模集成电路到中大规模集成电路，最后到超大规模集成电路的几代发展史，我们不难得出推断：PEMFC电源最终将与计算机一样进入各行各业，千家万户。