![質子交換膜燃料電池[10]](/img/b/787/nBnauM3X1UzMzMjNwYDNwcTO1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL2QzLwgzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmLwE2LvoDc0RHa.jpg "質子交換膜燃料電池[10]")
概述
質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，英文簡稱PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當於水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極為氫燃料發
氫燃料電池生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質。工作時相當於一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。
兩電極的反應分別為：
陽極(負極)：2H2-4e=4H+
陰極(正極)：O2+4e+4H+=2H2O
注意所有的電子e都省略了負號上標。由於質子交換膜只能傳導質子，因此氫質子可直接穿過質子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。當電子通過外電路流向陰極時就產生了直流電。以陽極為參考時，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發電電壓理論上限為1.23V。接有負載時輸出電壓取決於輸出電流密度，通常在0.5～1V 之間。將多個單電池層疊組合就能構成輸出電壓滿足實際負載需要的燃料電池堆(簡稱電堆)。
電堆由多個單體電池以串聯方式層疊組合而成。將雙極板與膜電極三合一組件(MEA)交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經前、後端板壓緊後用螺桿緊固拴牢，即構成質子交換膜燃料電池電堆，如附圖所示。疊合壓緊時應確保氣體主通道對正以便氫氣和氧氣能順利通達每一單電池。電堆工作時，氫氣和氧氣分別由進口引入，經電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經雙極板導流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學反應。
電堆的核心是MEA組件和雙極板。MEA是將兩張噴塗有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置於經預處理的質子交換膜兩側，使催化劑靠近質子交換膜，在一定溫度和壓力下模壓製成。雙極板常用石墨板材料製作，具有高密度、高強度，無穿孔性漏氣，在高壓強下無變形，導電、導熱性能優良，與電極相容性好等特點。常用石墨雙極板厚度約2～3.7mm，經銑床加工成具有一定形狀的導流流體槽及流體通道，其流道設計和加工工藝與電池性能密切相關。
工作原理
燃料電池的工作過程實際上是電解水的逆過程，其基本原理早在1839年由英國律師兼物理學家威廉.羅泊特.格魯夫（William Robert Grove）提出，他是世界上第一位實現電解水逆反應並產生電流的科學家。一個半世紀以來，燃料電池除了被用於宇航等特殊領域外，極少受到人們關注。只是到近十幾年來，隨著環境保護、節約能源、保護有限自然資源的意識的加強，燃料電池才開始得到重視和發展。
PEMFC技術是目前世界上最成熟的一種能將氫氣與空氣中的氧氣化合成潔淨水並釋放出電能的技術：
1） 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）並釋放出帶負電的電子。
2） 氫離子穿過電解質（質子交換膜）到達陰極；電子則通過外電路到達陰極。電子在外電路形成電流，通過適當連線可向負載輸出電能。
3） 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，氧與氫離子及電子發生反應生成水
燃料電池有多種，各種燃料電池之間的區別在於使用的電解質不同。質子交換膜燃料電池以質子交換膜為電解質，其特點是工作溫度低（約70-800C），啟動速度快，特別適於用作動力電池。電池內化學反應溫度一般不超過80度，故稱為“冷燃燒”。
優點
（1）能量轉化效率高。通過氫氧化合作用，直接將化學能轉化為電能，不通過熱機過程，不受卡諾循環的限制。
（2）可實現零排放。其唯一的排放物是純淨水（及水蒸氣），沒有污染物排放，是環保型能源。
（3）運行噪聲低，可靠性高。PEMFC電池組無機械運動部件，工作時僅有氣體和水的流動。
（4）維護方便。PEMFC內部構造簡單，電池模組呈現自然的“積木化”結構，使得電池組的組裝和維護都非常方便；也很容易實現“免維護”設計。
（5）發電效率受負荷變化影響很小，非常適合於用作分散型發電裝置（作為主機組），也適於用作電網的“調峰”發電機組（作為輔機組）。
（6）氫是世界上最多的元素，氫氣來源極其廣泛，是一種可再生的能源資源，取之不盡，用之不絕。可通過石油、天然氣、甲醇、甲烷等進行重整制氫；也可通過電解水制氫、光解水制氫、生物制氫等方法獲取氫氣。
（7）氫氣的生產、儲存、運輸和使用等技術目前均已非常成熟、安全、可靠。
套用
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，適用於軍事、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。據報導，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）。適用於便攜計算機等便攜電子設備的PEMFC電源的功率範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、機車、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（體積較小）因此，很適於用作新一代交通工具動力。這是一項潛力十分巨大的套用。由於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。燃料電池將會成為繼蒸汽機和內燃機之後的第三代動力系統。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1.4KW/公斤或1.6KW/升。用作電動腳踏車、助動車和機車動力的PEMFC系統，其功率範圍分別是300-500W、500W-2KW、2-10KW。遊覽車、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。
三是可用作分散型電站。PEMFC電站可以與電網供電系統共用，主要用於調峰；也可作為分散型主供電源，獨立供電，適於用作海島、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）有利於熱電聯供（由於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小；（4）通過天然氣、煤氣重整制氫，使得可利用現有天然氣、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於廣大的農村地區和邊遠地區），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套用，發展分散型電站將是一個趨勢。
發展概況
PEMFC研究開發領域的權威機構是加拿大的Ballard能源系統公司。1989年，該公司在加拿大國防部資助下，從美國國防部購買了燃料電池技術。經過十多年的研究開發，成功地研製出了多種系列的PEMFC。1994年以來，Ballard公司先後與賓士、大眾、通用、福特、豐田、日產等著名汽車公司合作，開發出多種PEMFC汽車。
從1997年起，Ballard公司與賓士、福特等公司共同投資建立了PEMFC發動機公司，在溫哥華和多倫多，年產20萬台電動車發動機的兩個生產企業已在建設之中，計畫2003年把PEMFC電動車正式推向市場。Ballard公司還與美國、法國的大型供電公司共同投資組建了合資企業，生產250KW級分散型PEMFC電站設備。這些公司的建立標誌著PEMFC氫能源系統已走出實驗室，進入了加速產業化的階段。在美國，Plug-Power、H-Power等公司生產的以天然氣為燃料的5－10KW PEMFC小型電站已經投放市場，這種電站適用作家庭電站、應急電源、不間斷電源。
除美國、加拿大外，日本、德國、英國、義大利、俄羅斯等國以及一些著名跨國企業也加入了研製PEMFC系統和PEMFC電動車的行列。自2000年下半年石油價格問題引起各國嚴重關注以來，已開發國家（特別是美國）都大大加強了對燃料電池技術商業化的投入，僅美國能源部的研究經費預算就超過1億美元，大大超出前一年度的預算；而且，研究重點具有明顯的產業化導向，如：相關材料部件，套用開發，行業標準，環境配套，發展戰略，市場策略等。
在我國，PEMFC和電動車被列入“九五”國家科技攻關計畫，氫能的規模製備、儲運及相關燃料電池的基礎研究”也已入選2000年“國家重點基礎研究項目”。PEMFC電動車還被列為面向產業化的國家“十五”“863”重大科技攻關專項和上海市“十五”重大科技攻關項目。
2010年，山東東嶽集團宣布，中國自主研發的氯鹼用全氟離子膜、燃料電池膜實現國產化。歷經8年科研攻關，打破了美國、日本長期對該項技術的壟斷。與此同時，“東嶽”完成的用於製造燃料電池核心材料磺酸樹脂離子膜的年產500噸的生產裝置已經建成投產，解決了氫燃料電池生產的重大瓶頸，我國由此成為世界上第二個擁有該項技術和產業化能力的國家。
