12 观点呈现

　　质子交换膜燃料电池（一）

　　质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)，在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。单元质子交换膜燃料电池的基本组成元件包括膜电极、双极板、密封件。膜电极又包含质子交换膜、催化层和气体扩散层三部分。

　　燃料电池的工作过程实际上是电解水的逆过程，其基本原理早在1839年由英国律师兼物理学家威廉·罗泊特·格鲁夫（William Robert Grove）提出，他是世界上第一位实现电解水逆反应并产生电流的科学家。PEMFC技术是目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术：氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子。氢离子穿过电解质（质子交换膜）到达阴极；电子则通过外电路到达阴极。电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能。在电池另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极；在阴极催化剂作用下，氧与氢离子及电子发生反应生成水。燃料电池有多种，各种燃料电池之间的区别在于使用的电解质不同。质子交换膜燃料电池以质子交换膜为电解质，其特点是工作温度低（约70℃-80℃），启动速度快，特别适于用作动力电池。电池内化学反应温度一般不超过80℃，故称为“冷燃烧”。

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　　质子交换膜燃料电池（二）

　　质子交换膜燃料电池能量转化效率高。通过氢氧化合作用，直接将化学能转化为电能，不通过热机过程，不受卡诺循环的限制；可实现零排放，其唯一的排放物是纯净水（及水蒸气），没有污染物排放，是环保型能源；运行噪声低，可靠性高。PEMFC电池组无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动；维护方便，PEMFC内部构造简单，电池模块呈现自然的“积木化”结构，使得电池组的组装和维护都非常方便；也很容易实现“免维护”设计；发电效率受负荷变化影响很小，非常适合于用作分散型发电装置（作为主机组），也适于用作电网的“调峰”发电机组（作为辅机组）；氢是世界上最多的元素，氢气来源极其广泛，是一种可再生的能源资源，取之不尽，用之不绝。可通过石油、天然气、甲醇、甲烷等进行重整制氢；也可通过电解水制氢、光解水制氢、生物制氢等方法获取氢气。

　　按膜的结构分类可以将质子交换膜分为磺化聚合物膜、复合膜、无机酸掺杂膜。磺化聚合物膜又可细分为全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜和非氟质子交换膜，其中，全氟磺酸质子交换膜目前应用最为广泛。随着优质膜性能需求的趋势，大量的精力被投入到新型膜材料的理论和工业发展中。未来的膜材料应为无氟化物的聚氨酯离聚体，新型的聚合物如硅酮和聚磷酸盐等。较低的机械强度和膜吸水引起的残余压力是质子交换膜的主要缺点之一。

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　　质子交换膜燃料电池（三）

　　质子交换膜燃料电池与其他几种类型燃料电池相比，具有工作温度低、启动速度快、模块式安装和操作方便等优点，被认为是电动车、潜艇、各种可移动电源、供电电网和固定电源等的最佳替代电源。质子交换膜燃料电池的主要应用领域可分为三大类，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。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。三是可用作分散型电站。PEMFC电站可以与电网供电系统共用，主要用于调峰；也可作为分散型主供电源，独立供电，适于用作海岛、山区、边远地区或新开发地区电站。

　　质子交换膜燃料电池技术经过一段时间的发展，虽已成为目前世界上最成熟的一种能将氢气与空气中的氧气化合成洁净水并释放出电能的技术。但目前仍在成本因素、燃料来源、安全储存等方面存在一些问题。

　　成本因素方面：当前车用燃料电池大量使用铂催化剂，为了降低成本，需进一步降低铂催化剂的使用量，并寻求廉价的替代品；应用最多的质子交换膜是全氟磺酸膜（PFSAs）主要依靠进口，价格约600美元/平方米左右；常用的不透性石墨材料，需精密加工、不易批产。

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　　质子交换膜燃料电池（四）

　　燃料来源方面，加氢站数量少是制约燃料电池汽车发展的重要因素，廉价制氢也是燃料电池产业需要考虑的重要问题，推广初期主要以分散制氢为主，可控制成本、使用便利，未来规模化发展之后，将主要采用集中制氢的方式，可能应用太阳光催化光解制氢、生物制氢等新方法。

　　安全存储方面，短期内高压罐储氢仍是主要氢气储存手段，长期来看需要发展储氢容量高、安全性好、吸/放氢速率快、寿命长、成本低的新型材料。

　　PEMFC研究开发领域的权威机构是加拿大的Ballard能源系统公司。1989年，该公司在加拿大国防部资助下，从美国国防部购买了燃料电池技术。经过十多年的研究开发，成功地研制出了多种系列的PEMFC。1994年以来，Ballard公司先后与奔驰、大众、通用、福特、丰田、日产等著名汽车公司合作，开发出多种PEMFC汽车。在我国，2010年，山东东岳集团宣布，中国自主研发的氯碱用全氟离子膜、燃料电池膜实现国产化，打破了美国、日本长期对该项技术的垄断。与此同时，“东岳”完成的用于制造燃料电池核心材料磺酸树脂离子膜的年产500吨的生产装置已经建成投产，解决了氢燃料电池生产的重大瓶颈。