一、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)
該技術(shù)是General?Electric公司在20世紀(jì)50年代發(fā)明的,被NASA用來為其Gemini空間項目提供動力。目前這種燃料電池是汽車公司最喜歡使用的一類燃料電池,用來取代原來使用的內(nèi)燃機。質(zhì)子交換膜燃料電池有時也叫聚合物電解質(zhì)膜,或固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜,或聚合物電解質(zhì)膜燃料電池。 下圖顯示了質(zhì)子交換膜燃料電池的基本設(shè)計。
在質(zhì)子交換膜燃料電池中,電解質(zhì)是一片薄的聚合物膜,例如聚[全氟磺]酸(poly[perfluorosulphonic]acid),和質(zhì)子能夠滲透但不導(dǎo)電的NafionTM?,而電極基本由碳組成。氫流入燃料電池到達陽極,裂解成氫離子(質(zhì)子)和電子。氫離子通過電解質(zhì)滲透到陰極,而電子通過外部網(wǎng)路流動,提供電力。以空氣形式存在的氧供應(yīng)到陰極,與電子和氫離子結(jié)合形成水。在電極上的這些反應(yīng)如下:
質(zhì)子交換膜燃料電池以磺酸型質(zhì)子交換膜為固體電解質(zhì),無電解質(zhì)腐蝕問題,能量轉(zhuǎn)換效率高,無污染,可室溫快速啟動。質(zhì)子交換膜燃料電池在固定電站、電動車、軍用特種電源、可移動電源等方面都有廣闊的應(yīng)用前景,尤其是電動車的最佳驅(qū)動電源。它已成功地用于載人的公共汽車和奔馳轎車上。?
???質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理如下:
陽極:2H2?→?4H+?+?4e-?
??????陰極:O2?+?4H+?+?4e-?→?2?H2O
???????整體:2H2?+?O2?→?2?H2O?+?能量?
????燃料電池工程中心制備和小批量生產(chǎn)PEMFC的Pt/C?、Pt-Ru/C電催化劑、電極、膜電極三合一(EMAS)和電池雙極板等關(guān)鍵組件;研制和生產(chǎn)各種規(guī)格的電池組;進行PEMFC?電動車裝車試驗并研制以PEMFC為動力的電動車發(fā)動機。已掌握了一系列PEMFC?的關(guān)鍵技術(shù),申請了十四項國家發(fā)明專利。成功地研制出100W?~5KW的各種規(guī)格的電池組,?電池額定輸出功率密度≥0.35W/cm2?。目前千瓦級PEMFC技術(shù)已經(jīng)成熟具備了商業(yè)開發(fā)的條件,同時在質(zhì)子交換膜燃料電池氫源開發(fā)方面取得了重大進展。
質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下,電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢進行,通常用每個電極上的一層薄的白金進行催化。
這種電極/電解質(zhì)裝置通常稱做膜電極裝配(MEA),將其夾在二個場流板中間便能構(gòu)成燃料電池。這二個板上都有溝槽,將燃料引導(dǎo)到電極上,也能通過膜電極裝配導(dǎo)電。每個電池能產(chǎn)生約0.7伏的電,足夠供一個照明燈泡使用。驅(qū)動一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓,將多個單個的電池串聯(lián)起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲器。
???由于?PEMFC?使用濕潤化?Nafion?型高分子膜作為電解質(zhì)層,因此操作溫度必須控制在?100?℃?以下,此種低溫條件使電極中的白金觸媒對?CO?的抵抗力減弱,造成燃料氣體中的?CO?濃度需要嚴(yán)格的限制。然而?Nafion?膜的質(zhì)子傳輸效率極佳,因而可提高反應(yīng)使用的電流密度,再加上低溫與非腐蝕性的特性,使得此種電池具有重量輕、體積小、激活快與機組材料選擇性大等各項優(yōu)點。
??也因為前述的各特性,PEMFC?目前正積極應(yīng)用于車輛動力系統(tǒng)、現(xiàn)場型發(fā)電機組與小型攜帶式電力裝置上。前兩種應(yīng)用,因需考慮燃料處理設(shè)備導(dǎo)致系統(tǒng)較為復(fù)雜,且須與造價較低的傳統(tǒng)技術(shù)競爭,故短期內(nèi)尚無法商業(yè)化。但在小型攜帶電力方面,如筆記型計算機、無線電話、攝錄像機等大多采用高價值的鎳氫或鋰電池的部分,PEMFC?則有機會與之競爭。
????質(zhì)子交換膜燃料電池擁有許多特點,因此成為汽車和家庭應(yīng)用的理想能源,它可代替充電電池。它能在較低的溫度下工作,因此能在嚴(yán)寒條件下迅速啟動。其電力密度較高,因此其體積相對較小。此外,這種電池的工作效率很高,能獲得40-50%的最高理論電壓,而且能快速地根據(jù)用電的需求而改變其輸出。 目前,能產(chǎn)生50kW電力的示范裝置業(yè)已在使用,能產(chǎn)生高達250?kW的裝置也正在開發(fā)。當(dāng)然,要想使該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,仍然還有一系列的問題尚待解決。其中最主要的問題是制造成本,因為膜材料和催化劑均十分昂貴。不過人們進行的研究正在不斷地降低成本,一旦能夠大規(guī)模生產(chǎn),比價的經(jīng)濟效益將會充分顯示出來。
????另一個大問題是這種電池需要純凈的氫方能工作,因為它們極易受到一氧化碳和其它雜質(zhì)的污染。這主要是因為它們在低溫條件下工作時,必需使用高敏感的催化劑。當(dāng)它們與能在較高溫度下工作的膜一起工作時,必須產(chǎn)生更易耐受的催化劑系統(tǒng)才能工作。