質子交換膜燃料電池

分別為：

陽極（負極）：

陰極（正極）：

由於質子交換膜只能傳導質子，因此氫離子（即質子）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。

質子交換膜燃料電池具有如下優點：其發電過程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環的限制，能量轉換率高；發電時不產生污染，發電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪音。所以，質子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環保電源。

通常，質子交換膜燃料電池的運行需要一系列輔助設備與之共同構成發電系統。質子交換膜燃料電池發電系統由電堆、氫氧供應系統、水熱管理系統、電能變換系統和控制系統等構成。電堆是發電系統的核心。發電系統運行時，反應氣體氫氣和氧氣分別通過調壓閥、加濕器(加濕、升溫)後進入電堆，發生反應產生直流電，經穩壓、變換后供給負載。電堆工作時，氫氣和氧氣反應產生的水由陰極過量的氧氣(空氣)流帶出。未反應的(過量的)氫氣和氧氣流出電堆后，經汽水分離器除水，可經過循環泵重新進入電堆循環使用，在開放空間也可以直接排放到空氣中。

水、熱管理是質子交換膜燃料電池 發電系統的重要環節之一。電堆運行時，質子交換膜需要保持一定的濕度，反應生成的水需要排除。不同形態的水的遷移、傳輸、生成、凝結對電堆的穩定運行都有很大影響，這就產生了質子交換膜燃料電池 發電系統的水、熱管理問題。通常情況下，電堆均需使用複雜的增濕輔助系統用於增濕質子交換膜，以免電極“乾死”(質子交換膜傳導質子能力下降，甚至損壞)；同時又必須及時將生成的水排出，以防電極“淹死”。由於質子交換膜燃料電池的運行溫度一般在80℃左右，此時其運行效能最好，因此反應氣體進入電堆前需要預加熱，這一過程通常與氣體的加濕過程同時進行；電堆發電時產生的熱量將使電堆溫度升高，必須採取適當的冷卻措施，以保持質子交換膜燃料電池電堆工作溫度穩定。這些通常用熱交換器與純水增濕裝置進行調節，並用計算機進行協調控制。

為了確保質子交換膜燃料電池電堆的正常工作，通常將電堆、氫氣和氧氣處理系統、水熱管理系統及相應的控制系統進行機電一體化集成，構成質子交換膜燃料電池發電機。根據不同負載和環境條件，配置氫氣和氧氣存儲系統、餘熱處理系統和電力變換系統，並進行機電一體化集成就可構成質子交換膜燃料電池發電站。

通常，質子交換膜燃料電池發電站由質子交換膜燃料電池發電機和氫氣生產與儲存裝置、空氣供應保障系統、氫氣安全監控與排放裝置、冷卻水罐和餘熱處理系統、電氣系統及電站自動控制系統構成。

氫氣存儲裝置為發電機提供氫氣，其儲量按負荷所需發電量確定。氫氣存儲方式有氣態儲氫、液態儲氫和固態儲氫，相應的儲氫材料也有多種，主要按電站所處環境條件及技術經濟指標來決定。氫氣存儲是建設質子交換膜燃料電池發電站的關鍵問題之一，儲氫方式、儲氫材料選擇關係整個電站的安全性和經濟性。空氣供應保障系統對地面開放空間的質子交換膜燃料電池應用(如燃料電池電動車)不成問題，但對地下工程或封閉空間的應用來說卻是一個十分重要的問題，如何設置進氣通道必須進行嚴格的論證。氫氣安全監控與排放裝置是氫能發電站的一個特有問題，由於氫氣是最輕的易燃易爆氣體，氫氣儲存裝置、輸送管道、閥門管件、質子交換膜燃料電池電堆以及電堆運行的定時排空都可能引起氫氣泄漏，為防止電站空間集聚氫氣的濃度超過爆炸極限，必須實時檢測、報警並進行排放消除處理。氫氣安全監控與排放消除裝置由氫氣敏感感測器、監控報警器及排放風機、管道和消氫器等組成，感測器必須安裝在電站空間的最高處。冷卻水箱或餘熱處理系統是吸收或處理質子交換膜燃料電池發電機運行產生的熱量，保障電站環境不超溫。將質子交換膜燃料電池發電站的餘熱進行再利用，如用於工程除濕、空調、採暖或洗消等，實現電熱聯產聯供，可大大提高燃料利用效率，具有極好的發展與應用前景。電氣系統根據工程整體供電方式和結構對質子交換膜燃料電池發電機發出電力進行處理后與電網並聯運行或/和直接向負載供電，涉及潮流、開關設備、錶盤和繼電保護等。採用質子交換膜燃料電池發電站可以實現工程應急電網的多電源分散式供電方式，因此其電氣及變配電系統是一個值得深入研究的問題。電站自動化系統是為保障質子交換膜燃料電池發電站正常工作、可靠運行而設置的基於計算機參數檢測與協調控制的自動裝置，一般應採用分散式控制系統(DCS)或現場匯流排控制系統(FCS)。主要設備包括現場智能儀錶或感測器、變送器，通訊匯流排和控制器，並提供向工程式控制制中心聯網通訊的介面。主要功能包括參數檢測、顯示、報警，歷史數據存儲，故障診斷，事故追憶，操作指導，控制保護輸出和數據信息管理等，是質子交換膜燃料電池 電站信息化、智能化的核心。

質子交換膜燃料電池發電作為新一代發電技術，其廣闊的應用前景可與計算機技術相媲美。經過多年的基礎研究與應用開發，質子交換膜燃料電池用作汽車動力的研究已取得實質性進展，微型質子交換膜燃料電池便攜電源和小型質子交換膜燃料電池移動電源已達到產品化程度，中、大功率質子交換膜燃料電池發電系統的研究也取得了一定成果。由於質子交換膜燃料電池發電系統有望成為移動裝備電源和重要建築物備用電源的主要發展方向，因此有許多問題需要進行深入的研究。就備用氫能發電系統而言，除質子交換膜燃料電池單電池、電堆質量、效率和可靠性等基礎研究外，其應用研究主要包括適應各種環境需要的發電機集成製造技術，質子交換膜燃料電池發電機電氣輸出補償與電力變換技術，質子交換膜燃料電池發電機並聯運行與控制技術，備用氫能發電站制氫與儲氫技術，適應環境要求的空氣(氧氣)供應技術，氫氣安全監控與排放技術，氫能發電站基礎自動化設備與控制系統開發，建築物採用質子交換膜燃料電池氫能發電電熱聯產聯供系統，以及質子交換膜燃料電池氫能發電站建設技術等等。採用質子交換膜燃料電池氫能發電將大大提高重要裝備及建築電氣系統的供電可靠性，使重要建築物以市電和備用集中柴油電站供電的方式向市電與中、小型質子交換膜燃料電池發電裝置、太陽能發電、風力發電等分散電源聯網備用供電的靈活發供電系統轉變，極大地提高建築物的智能化程度、節能水平和環保效益。

質子交換膜燃料電池是在電動汽車上最有應用前景的電力能源之一。組成質子交換膜燃料電池的基本單元是單體燃料電池。如前所述，單體電池的電化學電動勢大約1 V左右，其電流密度約為100 mA/cm²。因此，一個實用化的質子交換膜燃料電池系統，必須通過單體電池的串聯和並聯形成具有一定功率的電池組，才能滿足絕大多數用電負載的需求。此外，還要為系統配置氫燃料儲存單元，空氣（氧化劑）供給單元，電池組溫度、濕度調節單元，功率變換單元及系統控制單元等，將燃料電池組成為一個連續、穩定的供電電源。

1)燃料電池組（堆），質子交換膜燃料電池的單體電池，其化學電動勢為1.0~1.2V，負載時的輸出埠電壓為0.6~0.8V。為滿足負載的額定工作電壓，必須將單體電池串聯起來構成具有較高電口珀勺電池組。由於受到材料（如質子交換膜等）及工藝水平的限制，單體電池的輸出電流密度約為300~600mA/cm²，因此，欲提高燃料電池的輸出電流能力，只能將若干串聯的電池組並聯，組成具有較大輸出能力的燃料電池堆。由於燃料電池堆是南大量的單體電池串並聯而成的，因而，存在著向每個單體電池供給燃料與氧化劑的均勻性和電池組熱管理問題。

2)燃料及氧化劑的儲存與供給單元。為使質子交換膜燃料電池實現連續穩定的運行發電，必須配置燃料及氧化劑的儲存與供給單元，以便不間斷地向燃料電池提供電化學反應所需的氫和氧。燃料供給部分由儲氫器及減壓閥組成；氧化劑供給部分由儲氧器、減壓閥或空氣泵組成。

3)燃料電池濕度與溫度調節單元。在質子交換膜燃料電池運行過程中，隨著負載功率的變化，電池組內部的工況也要相應改變，以保持電池內部電化學反應的正常進行。對質子交換膜燃料電池運行影響最大的兩個因素是電池內部的濕度與溫度。因此，在電池系統中需要配置燃料電池濕度與溫度調節單元，以便使質子交換膜燃料電池在負荷變化時仍工作在最佳工況下。

4)功率變換單元。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會隨負荷的變化而改變。基於上述原因，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需要配置功率變換單元。當負載需要交流供電時，應採用DC/AC變流器；當負載要求直流供電時，也需要用DC/DC變流器實現燃料電池組輸出電能的升壓與穩壓，

5)系統控制單元。由上述四個功能單元的配置和工作要求可知，質子交換膜燃料電池系統是一個涉及電化學、流體力學、熱力學、電工學及自動控制等多學科的複雜系統。質子交換膜燃料電池系統在運轉過程中，需要調節與控制的物理量和參數非常多，難以手動完成。為使質子交換膜燃料電池系統長時間安全、穩定地發電，必須配置系統控制單元，以實現燃料電池組與各個功能單元的協凋工作。

質子交換膜燃料電池具有工作溫度低、啟動快、比功率高、結構簡單、操作方便等優點，被公認為電動汽車、固定發電站等的首選能源。在燃料電池內部，質子交換膜為質子的遷移和輸送提供通道，使得質子經過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉移構成迴路，向外界提供電流，因此質子交換膜的性能對燃料電池的性能起著非常重要的作用，它的好壞直接影響電池的使用壽命。

迄今最常用的質子交換膜（PEM）仍然是美國杜邦公司的Nafion質子交換膜，具有質子電導率高和化學穩定性好的優點，PEMFC大多採用Nafion等全氟磺酸膜，國內裝配PEMFC所用的PEM主要依靠進口。但Nafion質子交換類膜仍存在下述缺點：(1)製作困難、成本高，全氟物質的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導致成本較高；(2)對溫度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作溫度為70～90℃，超過此溫度會使其含水量急劇降低，導電性迅速下降，阻礙了通過適當提高工作溫度來提高電極反應速度和克服催化劑中毒的難題；(3)某些碳氫化合物，如甲醇等，滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池(DMFC)的質子交換膜。

Nafion膜的價格在600美元每平方米左右，相當於120美元每千瓦（單位電池電壓為0.65V）。在燃料電池系統中，膜的成本幾乎佔總成本的20%~30%。為儘早實現燃料電池的商業化應用，降低質子交換膜的價格迫在眉睫。加拿大的巴拉德公司在質子交換膜領域做了後來居上的工作，使人們看到了交換膜商業化的希望。據研究計劃報道，其第三代質子交換膜BAM3G，是部分氟化的磺酸型質子交換膜，演示壽命已經超過4500h，其價格已經降到50美元每立方米，這相當於10美元每千瓦（單位電池電壓為0.65V）。

全球最大質子交換膜燃料電池示範電站在華南理工建成 作為電動汽車的一種。這是由於燃料電池的化學反應過程不會產生有害物質，僅排放少量水蒸氣，同時其能量轉換效率比內燃機高2~3倍。裝有這種電池的汽車只需像加油一樣加註氫氣，便可繼續行駛。

除應用於汽車，燃料電池在交通、軍事、通訊等領域均具有廣闊的應用前景。發達國家均投入巨大的人力物力從事這一技術的研發，國內從事燃料電池的研究單位也多達30多家。

這其中就包括華南理工大學。

2010年2月 全球最大的質子交換膜燃料電池示範電站落戶廣州大學城。由華南理工大學自己設計、自己建造的這座示範電站的落成，標誌著廣東省在燃料電池技術這一重要的新能源技術研究和開發方面走在了世界的前列，也為質子交換膜燃料電池這項新能源技術在廣東省的商業化奠定了重要的基礎。

為什麼要建設一座全球最大的示範電站？廖世軍告訴記者：“示範展示是一項新技術走向商業化的必經一步。燃料電池技術的逐級放大，涉及諸多難題，只有達到一定容量的示範，才能使技術成熟並最終走向商業化；建設示範電站既是為了向公眾展示質子交換膜燃料電池這項新的能源技術，也是為了測試這種技術的可行性、發現這項技術存在哪些問題以及如何改進。電站越大，建設難度就越高，出現的問題也就越多、越明顯。”

示範電站可以實現24小時運轉，產生的電流直接輸送到學校的380V低壓電網上，滿負荷運行時可滿足電站附近的豪華准五星級酒店——華工國際學術中心正常運營。“示範電站副產熱水為50攝氏度左右，非常適合作為生活用的熱水。在熱和電都得到充分利用的情況下，燃料電池電站的能源利用率將達到90%。”廖世軍介紹。

在示範電站，天然氣首先轉化成氫氣，氫氣進入燃料電池發電機組產生電流和熱水。

據介紹，由華南理工大學設計開發的制氫工藝，天然氣制氫效率接近2.0，即1立方米天然氣可生成將近2立方米的氫氣，比國內一些同類制氫設施的效率高20%~30%。產生的電量比直接燃燒天然氣發電至少高30%，污染物的排放則同比減少60%。燃料電池發電高效率和低排放的優點展露無遺。

燃料電池技術研發數十年，一直未能大範圍推廣，除存在穩定性、耐久性等問題，追根究底，高昂成本也是商業化的瓶頸。

廖世軍告訴記者，國外質子交換膜燃料電池的價格高達每千瓦7萬元人民幣左右，給一輛小汽車安裝一台50千瓦的電池系統，光電池就要350萬元。因此，在技術攻關的同時，如何有效降低燃料電池成本也一直是課題組的重要研究內容。

由於各項新技術的使用，華南理工大學研發的燃料電池成本已降至每千瓦6000~7000元人民幣，僅是國際市場價格的1/10。

“與傳統發電技術相比，這個成本還是偏高的，但和其他新能源如太陽能等相比，卻便宜了不少。”廖世軍算了一筆賬，按每千瓦6000元人民幣計算，燃料電池汽車的成本仍然不便宜，然而對比一下，氫氣卻比汽油便宜得多！

為促進燃料電池的開發利用，我國已經出台補貼政策，買一輛燃料電池汽車，直接補貼人民幣30萬元。另外，燃料電池規模化生產後，成本還有很大的下降空間。同時，許多國家政府均表示，一旦燃料電池大範圍商業化推廣，各地加氫站的建設將不是問題，燃料電池走進平民百姓家指日可待。

幾年來，除了順利完成電站的建設之外，華南理工大學在質子交換膜燃料電池的核心技術攻關方面也取得了一系列重要成果，包括高分散高活性催化劑製備技術、光照下直接塗膜製備膜電極技術、低鉑催化劑製備技術、超低鉑載量膜電極製備技術等。課題組共申請燃料電池核心技術專利8項，獲授權4項，申請國際發明專利1項。

談到下一步的打算，廖世軍表示：“我們將利用廣州現代產業技術研究院這一平台開展燃料電池的產業化工作，致力於開發系列燃料電池備用電源、基站通訊電源、家用熱電聯供系統等系列產品。我們希望進一步降低燃料電池的成本，促進燃料電池技術在廣東省的發展和商業化進程。”

20世紀60年代，美國首先將PEMFC用於Gemini宇航飛行。伴隨著全氟磺酸型質子交換膜碳載鉑催化劑等關鍵材料的應用和發展，80年代，PEMFC的研究取得了突破性進展，電池的性能和壽命大幅提高，電池組的體積比功率和質量比功率分別達到1000W/L、700W/kg，超過了DOE和PNGV制定的電動車指標。90年代以來，基於質子交換膜燃料電池高速進步，各種以其為動力的電動汽車相繼問世，至今全球已有數百台以PEMFC為動力的汽車、潛艇、電站在國內外示範運行。表4-4-1列出了國內外開發的幾種燃料電池汽車的主要性能指標，性能完全可以與內燃機相媲美。

表4-4-1 國內外開發的幾種燃料電池汽車的主要性能指標

由於質子交換膜燃料電池高效、環保等突出優點，引起了世界各發達國家和各大公司高度重視，並投巨資發展這一技術。美國政府將其列為對美國經濟發展和國家安全至為關鍵的27個關鍵技術領域之一；加拿大政府將燃料電池產業作為國家知識經濟的支柱產業之一加以發展；美國三大汽車公司（GM，Ford ,Chryster）、德國的Dajmier-Benz、日本的Toytomotor等汽車公司均投入巨資開發PEMFC汽車。

處於領先地位的加拿大Ballard公司已經開始出售商業化的各種功率系列的PEMFC裝置。

在我國有中國科學院大連化學物理研究所、清華大學、武漢理工大學、上海空間電源研究所、上海神力等很多單位在開展PEMFC的研究，並取得了長足進展，接近國外先進水平。就技術而言，千瓦級的PEMFC技術已基本成熟，阻礙其大規模商業化的主要原因是燃料電池的價格還遠遠沒有達到實際應用的要求，影響燃料電池成本的兩大因素是材料價格昂貴和組裝工藝沒有突破，例如使用貴金屬鉑作為催化劑；昂貴的質子交換膜及石墨雙極板加工成本等，導致PEMFC成本約為汽油、柴油發動機成本（50$/kW）的10~20倍。PEMFC要作為商品進入市場，必須大幅度降低成本，這有賴於燃料電池關鍵材料價格的降低和性能的進一步提高。