燃料電池PEMFC電源系統(tǒng)的開發(fā)與應用

1、PEMFC電源系統(tǒng)的開發(fā)與應用作者：楊貴恒 呂林 賀明智 時間：2007-05-28 來源: 電源世界1 引言早在1995年，美國總統(tǒng)辦公廳科技政策辦公室公布的國家關鍵技術報告中，就將燃料電池列入維護國家經濟繁榮的至關重要的關鍵技術領域。同年，美國時 代周刊也將燃料電池列為21世紀10大高新技術之首。美國喬治華盛頓大學未來學家評出的未來10年10大技術突破中,燃料電池位于網絡生活之后列第 2位。從擔任沙特阿拉伯石油部長達20年的現(xiàn)任全球能源中心主任雅瑪尼，到依賴石化燃料驅動的內燃機而創(chuàng)造了汽車世紀的美國福特汽車公司現(xiàn)任董事長比里 福特，這些傳統(tǒng)能源的生產者和使用者都相信燃料電池技術將帶來石油時

2、代和內燃機的終結，人類將進入可持續(xù)發(fā)展的綠色能源新時代。燃料電池已被國際著名刊 物經濟學家和世界觀察等列為21世紀可持續(xù)發(fā)展的三大支柱之一。正是由于上述原因，目前已掀起全球范圍的燃料電池關鍵技術研究、樣品開發(fā)及示范應 用熱潮1。而在幾種主要的燃料電池(質子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池)中，質子交換膜燃 料電池具有無腐蝕、壽命長，重量輕、體積小、比功率大，操作溫度低和起動快等特點，被認為是最有 發(fā)展前途的新能源。2 質子交換膜燃料電池及其系統(tǒng)2.1 質子交換膜燃料電池的工作原理燃料電池是一種不經過燃燒直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉變?yōu)?/p>

3、電能的發(fā)電裝置。其工作原理與普通電池基本相同,也是通過電化學反應把物質的化 學能轉變?yōu)殡娔?。所不同的?傳統(tǒng)電池是事先填充好內部物質,化學反應結束后,不能再釋放出電能;而燃料電池進行化學反應所需的物質是由外部不斷填充的, 只要供應燃料,就能源源不斷地輸出電能和熱能。簡言之，普通電池是能量儲存裝置，而燃料電池是能量轉換裝置2。質子交換膜燃料電池主要有氫燃料電池、甲醇重整燃料電池和直接甲醇燃料電池三種。目前，尤以氫燃料電池倍受電源研 究開發(fā)人員的注目。其工作原理如圖1所示：在電池的一端,氫氣通過管道或導氣板到達陽極，在陽極催化劑作用下，氫分子解離為帶正電的氫離子(即質子)并釋 放出帶負電的電子。即

4、：H22H+2e-；反應生成物中,氫離子穿過陽極和陰極之間的固體電解質膜到達陰極,電子則通過外電路到達陰極。在電池另一 端，氧氣(或空氣)通過管道或導氣板到達陰極。在陰極催化劑作用下，氧氣與氫離子及電子發(fā)生反應生成水。即：1/2O2+2H+2e-H2O；總的化 學反應為：H2+1/2O2H2O。連續(xù)不斷地向電池輸送氫氣和氧氣, 電子就會在外電路連續(xù)運動形成電流,從而可以向負載輸出電能。從以上可以看出,氫燃料電池的生成物是對環(huán)境無害的純水,因此,使用氫燃料電池作動力源,不 會造成大氣污染。圖1 PEMFC工作原理示意圖圖2 典型的PEMFC系統(tǒng)示意圖2.2 質子交換膜燃料電池電源系統(tǒng)的構成PEM

5、FC電源系 統(tǒng)除了核心部分電池堆外，還需要一些輔助系統(tǒng)才能正常工作。圖2是典型的PEMFC系統(tǒng)示意圖3。整個系統(tǒng)除了電池堆外，必備的系統(tǒng)還包括：燃料供給 系統(tǒng)、氧化劑及其循環(huán)系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。燃料和氧化劑循環(huán)系統(tǒng)的功能是向電推提供燃料氧化劑，同時循環(huán)回收反應未完全的氣體；水熱管理系 統(tǒng)主要是保證電池堆內部的水熱平衡狀態(tài)；控制系統(tǒng)則根據(jù)負載對電池功率的要求，或電池的工作條件(壓力、溫度、電壓的變化)，對反應氣體的流量、壓力、 水熱循環(huán)系統(tǒng)的水流速和溫度等進行控制和調節(jié)；它們是燃料電池正常工作的保證4。這就是燃料電池發(fā)動機。膜電極是PEMFC的核心,由氣體擴散層、催化劑層和質子交換膜組

6、成.催化劑是將鉑分散成微小顆粒負載在高比表面的碳黑或石墨上,形成含量為20% 的 Pt/C催化劑.鉑是貴金屬,資源稀少、價格昂貴。早期的膜電極Pt的載量為10mg/cm2以上,Pt的利用率很低.直到90年代,薄膜電極的出現(xiàn),使 Pt載量大幅度降低5,6。近年來,隨著催化劑制備方法的深入研究,膜電極的Pt載量已降低至0.02mg/cm2,電性能亦得到提高.進一步降低載 鉑量,尋找其它價廉的催化劑,一直是PEMFC研究的主要課題之一。PEMFC不同于其它燃料電池之處就在于使用固態(tài)的質子交換膜作電解質。 20世紀60年代,美國GE公司為NASA研制的空間電源采 用了聚苯乙炔磺酸膜,其穩(wěn)定性、導電性均

7、不理想,使用壽命也短。60年代中期,美國杜邦公司研制出新型全氟磺酸膜(Nafion系列材料)將PEMFC性 能大幅度提高。目前在PEMFC中使用的質子交換膜7均采用全氟化聚合物材料合成.該材料穩(wěn)定性好、使用壽命長，但其制造成本過高,售價昂貴(約為 600800$/m2)。因此質子交換膜的研究,一是減少質子交換膜的用量,朝薄型電解質發(fā)展；二是研制新型價廉的質子交換膜。PEMFC的燃料可選用純氫或碳氫化合物,如果電池以純氫為燃料,則系統(tǒng)結構相對簡單,僅由氫源、穩(wěn)壓閥和循環(huán)回路組成,其中氫源可采用壓縮氫、液 氫或金屬氫化物儲氫；穩(wěn)壓閥控制燃料氣的壓力；循環(huán)回路用以循環(huán)利用過量的燃料氣，燃料氣的過量一方面是保證電化學反應的充分進行,另一方面也可以部分起 到保持水平衡的作用,通常是采用一個循環(huán)泵或噴射泵將這部分氫送回到電池燃料氣的入口處,在這種情況下,可認為由氫源系統(tǒng)所提供的氫100%被用來發(fā)電。如果PEMFC以碳氫化合物為燃料，則該系統(tǒng)結構要相對復雜的多，其中至要包括一個燃料處理器，用來將燃料或燃料與水的混合物轉換成 蒸氣，這類轉換氣包括大部分氫、二氧化碳、水和微量的一氧化碳。另外，隨燃料處理器的不同，轉換器 中可能還有氮氣。必須指出的是，在任何PEMFC系