質子交換膜氫燃料電池工作原理

TIME: 2020-01-25 新聞資訊

质子交换膜氢燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC）是一种燃料電池，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質子交換膜組成，陽極爲氫燃料發生氧化的場所，陰極爲氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作爲電解質。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極爲電源正極。

氢燃料電池两电极的反应分别为：

陽極（負極）：2H₂– 4e = 4H⁺

陰極（正極）：O₂+ 4e + 4H⁺= 2H₂O注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V。也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5~1V之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料電池堆。

PEMFC的電極常被稱爲膜電極組件，它是指質子交換膜和其兩側各一片多孔氣體擴散電極（塗有催化劑的多孔碳布）組成的陰、陽極和電解質的複合體。

电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件（MEA）交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料電池电堆，如附图所示。叠合压紧时应确保气体主通道对正以便氢气和氧气能顺利通达每一单电池。电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。

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于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制成。雙極板常用石墨板材料制作，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。

质子交换膜氢燃料電池优点

质子交换膜燃料電池具有如下优点：e其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高；发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪音。所以，质子交换膜燃料電池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。

质子交换膜燃料電池工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。在燃料電池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料電池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电的使用寿命。

质子交换类膜氢燃料電池存在下述缺点：

（1）制作困難、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爲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）某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料電池（DMFC）的质子交换膜。

质子交换膜氢燃料電池的应用

质子交换膜氢燃料電池发电作为新一代发电技术，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年的基础研究与应用开发，质子交换膜氢燃料電池用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料電池便携电源和小型质子交换膜燃料電池移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料電池发电系统的研究也取得了一定成果。

采用质子交换膜燃料電池氢能发电将大大提高重要装备及建筑电气系统的供电可靠性，使重要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电的方式向市电与中、小型质子交换膜燃料電池发电装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电的灵活发供电系统转变，极大地提高建筑物的智能化程度、节能水平和环保效益。

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