氫能與質子交換膜燃料電池

1 序言

??? 為解決能源短缺、環境污染等問題，開發清潔、高效的新能源和可再生能源已十分緊迫。氫能因燃燒熱值高、污染小、資源豐富成為新能源的對象，氫燃料電池作為氫能利用的有效手段，已被美國《時代》周刊評為 21 世紀有重要影響的十大技術之一。

2 氫燃料電池工作原理

??? 燃料電池本質是水電解的“逆”裝置，主要由3 部分組成，即陽極、陰極、電解質，如圖 1[3]。其陽極為氫電極，陰極為氧電極。通常，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來加速電極上發生的電化學反應。兩極之間是電解質。



??? 以質子交換膜燃料電池（PEMFC）為例，其工作原理如下：

(1) 氫氣通過管道或導氣板到達陽極；

(2) 在陽極催化劑的作用下，1 個氫分子解離為 2 個氫質子，并釋放出 2 個電子，陽極反應為：

???? H2→2H++2e。

(3) 在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或導氣板到達陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達陰極的電子發生反應生成水，陰極反應為：1/2O2+2H++2e→H2O

??? 總的化學反應為：H2+1/2O2＝H2O

??? 電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負載連續地輸出電能。

3 PEMFC 的特點及研發應用現狀

??? 燃料電池種類較多，PEMFC 以其工作溫度低、啟動快、能量密度高、壽命長等優點特別適宜作為便攜式電源、機動車電源和中、小型發電系統。



??? PEMFC 發電機由本體及其附屬系統構成。本體結構除上述核心單元外，還包括單體電池層疊時為防止汽、水泄漏而設置的密封件，以及壓緊各單體電池所需的緊固件等。附屬系統包括：燃料及氧化劑貯存及其循環單元，電池濕度、溫度調節單元，功率變換單元及系統控制單元。圖 2 是一個典型的PEMFC 發電系統示意圖[4]。

(1) PEMFC 作為移動式電源的應用

??? PEMFC 作為移動式電源的應用領域分為兩大類：一是可用作便攜式電源、小型移動電源、車載電源等。適用于軍事、通訊、計算機等領域，以滿足應急供電和高可靠性、高穩定性供電的需要。實際應用是手機電池、筆記本電腦等便攜電子設備、軍用背負式通訊電源、衛星通訊車載電源等。二是用作自行車、摩托車、汽車等交通工具的動力電源，以滿足環保對車輛排放的要求。從目前發展情況看，PEMFC 是技術最成熟的電動車動力電源。

??? 國際上，PEMFC 研究開發領域的權威機構是加拿大 Ballard 能源系統公司。美國 H-Power 公司于 1996 年研制出世界上第一輛以 PEMFC 發電機為動力源的大巴士[5]。近年來，我國對燃料電池電動車的研發也極為重視，被列入國家重點科技攻關計劃。上海神力公司、富原燃料電池有限公司、清華大學、中科院大連化物所已分別研制出游覽觀光車、中巴車樣車，其性能接近或達到國際先進水平。

(2) PEMFC 作為固定式電源的應用

??? PEMFC 除適用于作為交通電源外，也非常適合用于固定式電源。既可與電網系統互聯，用于調峰；也可作為獨立電源，用作海島、山區、邊遠地區、或作為國防（人防）發供電系統電源。

??? 采用多臺 PEMFC 發電機聯網還可構成分散式供電系統。分散式供電系統有很多優點：① 可省去電網線路及配電調度控制系統；② 有利于熱電聯供（由于 PEMFC 電站無噪聲，可就近安裝，PEMFC 發電所產生的熱可進入供熱系統），可使燃料總利用率高達 80%以上；③ 受戰爭和自然災害等影響比較小，尤其適宜于現代戰爭條件下的主動防護需要；④ 通過天燃氣、煤氣重整制氫，可利用 現 有 天 燃 氣 、 煤 氣 供 氣 系 統 等 基 礎 設 施 為PEMFC 提供燃料；通過再生能源制氫（電解水制氫、太陽能電解制氫、生物制氫）則可形成循環利用系統（這種循環系統特別適用于邊遠地區、人所），使系統建設成本和運行成本降低。國際上普遍認為，隨著燃料電池的推廣應用，發展分散型電站將是一個趨勢。

(3) 氫能電源的軍事應用前景

??? 隨著現代科學技術的迅速發展及其在軍事領域的廣泛應用，以數字化技術為核心的新興信息技術將滲透到戰場的各個領域，從偵察、監視到預警，從通信、指揮到控制，從武器裝備的自動化、精確制導和智能化到各種電子戰手段，信息技術裝備已經成為覆蓋整個戰場的、決定戰爭勝負的重要因素，它不僅構成總體作戰的“神經系統”，而且成為總體作戰能力的“倍增器”。電源作為信息技術裝備的命脈，能否連續、可靠、安全、靈活地供電是至關重要的，它是信息技術裝備密不可分的一部分。

??? 由于 PEMFC 發電機工作溫度低，紅外輻射少，無震動，沒有噪音，因此特別適合用作為現代軍用電源。1998 年 8 月，美國國防部在向國會國防委員會呈遞的報告中指出：移動電力是永久性防御設施最基本的五大要素之一；燃料電池發電技術替代常規發電裝置的迅速演變，給未來發電系統采用氫氣作為主燃料開辟了道路；由于能量轉換效率（超過60%）很高，操作維護極為簡單，燃料電池發電機使氫能源作為主燃料的應用極為可靠而高效。因此，把作戰燃料改為氫，將獲得更加高效可靠的發電系統、更低的排放、更低的噪音、極大地減小熱輻射和紅外成像，便于偽裝和隱蔽作戰。

??? PEMFC 發電機的諸多優越性能，使其在航空航天及超級移動設備、水下潛艇、軍事工程、通訊工程、車輛動力電源、單兵和部（分）隊便攜電源、邊遠地區、海防哨所以及人防工程中都具有極好的應用前景。早在 1960 年代，美國航空航天局（NASA）就與通用電氣公司（GE）聯合開發 PEMFC發電機，并多次用于雙子星座衛星計劃的飛行，特別是 1968 年采用 Nafion 膜后在發射的生物衛星上使用PEMFC 發電機，其壽命在實驗室已達57000h。后來，NASA 又與Hamilton 標準公司合作研制 RFC（再生燃料電池）系統，目的是配合太陽能發電系統組成用于火星探測飛行器或月球基地的動力電源（太陽能電解水裝置功率 35kW，PEMFC發電機功率 25kW）。美國空軍也與Treadwell 公司簽訂協議研究用于衛星的 RFC 系統（PEMFC 功率12kW，電壓 28V）。

??? 在超級移動裝備（EMU）應用方面，NASA 與EPSI 公司合作開發采用金屬氫化物儲氫的 200Wh和 1500Wh 能量的 PEMFC 系統，以替代現有裝備中采用的可充電電池，可有效提高能量儲存密度和一次性充能能量以及循環壽命、充能速度。

??? PEMFC 在軍事領域的一個重大用途是作為海軍艦艇的動力電源。PEMFC 發電機作為潛艇不依賴于空氣的推進動力（AIP）源與斯特林發動機和閉式循環柴油機相比，具有效率高、噪音低和紅外輻射小等優點，在攜帶相同重量或體積的燃料氣時，潛艇續航能力最強（大約為斯特林發動機的 2倍），且沒有污染，因此 PEMFC 是潛艇 AIP 系統的最佳選擇。德國從 1980 年（也是世界上最早）開始研究基于 PEMFC 發電機的潛艇，目前德國已能生產 212、214 型號的基于PEMFC 發電機的潛艇。而美國海軍與 AP 公司合作開始研制以柴油重整制氫為氫源的 PEMFC 發電機，還與 Treadwell 公司合作設計并制造了用于水下探測器的 PEMFC 電源。

??? PEMFC 的諸多優點，使其在重要的民用設施如智能大廈、醫院、賓館等以及國防（人防）領域都具有極好的應用前景。目前這些地方的供電系統均采用以外電為主、柴油發電機組為輔的供電方式。當外電毀壞啟用柴油發電機組時，由于柴油發電機組存在煙氣排放，隱蔽性差、震動大、噪音高、環保性能差等許多缺點，更不適合在未來高科技戰爭中使用。因此，研究基于 PEMFC 的發電系統可有效利用氫能實現環保，對民用供電和國防建設都有極為重大的意義。

4 結束語

??? 氫能的利用，特別是 PEMFC 作為新一代發電技術，以其特有的高效率和環保性引起了全世界的關注，極具開發和利用價值。隨著 PEMFC 的技術不斷提高和成本逐步降低，燃料電池將逐步獲得應用，并有力地推動氫能技術的發展。