质子交换膜燃料电池( PEMFC)采用可传导离子的聚合膜作为电解质,所以也叫聚合物电解质燃料电池(PEFC)、固体聚合物燃料电池(SPFC)或固体聚合物电解质燃料电池( SPEFC),是目前应用最广泛的燃料电池。 1.质子交换膜燃料电池的基本结构： PEMFO基本单元由质子交换膜、催化剂层、扩散层、集流板(又称双极板)等组成,如图4-13所示。 (1)质子交换膜：质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池中最重要的部件之一,其性能好坏直接影响电池的性能和寿命。质子交换膜燃料电池中的质子交换膜与一般化学电源中使用的隔膜有很大不同,它不仅是一种将阳极的燃料与阴极的氧化剂隔开的隔膜材料,它还是电解质和电极活性物质(电催化剂)的基底,即兼有隔膜和电解质的作用;另外PEM还是一种选择透过性膜,在质子交换膜的高分子结构中,含有多种离子基团,它只允许H+穿过,其他离子、气体及液体均不能通过。 (2)电催化剂：为了加快电化学反应速率,气体扩散电极上都含有一定量的催化剂。 PEMFC电催化剂主要有铂系和非铂系电催化剂两类。目前多采用铂催化剂。由于这种电池是在低温条件下工作的,因此,提高催化剂的活性,防止电极催化剂中毒很重要。
(3)电极：质子交换膜燃料电池电极是一种多孔气体扩散电极,一般由扩散层和催化层构成。扩散层是由导电材料制成的多孔合成物,起着支撑催化层,收集电流,并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道的作用。催化层是进行电化学反应的区域,是电极的核心部分,其内部结构粗糙多孔,因而有足够的表面积以促进氢气和氧气的电化学反应。因此电极制作的好坏对电池的性能有重要影响。
(4)膜电极：膜电极(MEA)是通过热压将阴极、阳极与质子交换膜复合在一起而形成的。为了使电化学反应顺利进行,多孔气体扩散电极必须具备质子、电子、反应气体和水的连续通道。膜电极性能不仅依赖于电催化剂活性,还与电极中四种通道的构成及各种组分的配比、电极孔分布与孔隙率、电导等因素密切相关。
理想的电极结构必须满足的条件有,反应区必须透气(即高气体渗透性);气体所到之处需要有催化剂粒子,即催化剂必须分布在能接触到气体分子的表面;催化剂又必须与Nafion膜接触,以保证反应产生离子的顺利通过(即高质子传导性);作为催化剂载体的炭黑导电性要高,这将有利于电子转移(即高导电性),因催化剂不能连成片(必须有很大的催化活性表面才能提高催化反应速率,而片状金属表面积小),难以作为电导体。所以,催化剂粒子上反应产生或需要的电子必须通过导电性物质与电极沟通;催化剂的稳定性要好。高分散、细颗粒的Pt催化剂表面自由能大,很不稳定,需要掺入一些其他催化剂以降低其表面自由能,或者掺入少量含有能与催化剂形成化学键或弱结合力元素的物质。
(5)双极板与流场：双极板又称集流板,是电池的重要部件之一,其作用是分隔反应气体,收集电流,将各个单电池串联起来和通过流场为反应气体进入电极及水的排出提供通道。目前,制备质子交换膜燃料电池双极板广泛采用的材料是炭质材料、金属材料及金属与炭质的复合材料。而对金属板,为改善其在电池工作条件下
的抗腐蚀性能,必须进行表面改性。
质子交换膜燃料电池的流场板一般是指按一定间隔开槽的石墨板,开的槽就是流道,在槽之间形成流道间隔。流场功能是引导反应气流动方向,确保反应气均匀分配到电极的各处流场,经电极扩散层到达催化层参与电化学反应。为提高电池反应气体的利用率,通常排放尾气越少越好,流场设计的好坏直接影响电池尾气的排放量。
在常见的质子交换膜燃料电池中,有的流场板与双极板是分体的,如网状流场板等;有的流场板与双极板是一体的,如点状流场和部分蛇形流场板等,这样流场除了具有上述流场板的功能以外,还要兼顾双极板的作用。至今已开发点状、网状、多孔体、平行沟槽、蛇形和交指形流场等多种。
通常,质子交换膜燃料电池的运行需要一系列辅助设备与其共同构成发电系统。质子交
换膜燃料电池一般由电池堆、氢气系统、氧化剂系统、水热管理系统、安全系统和控制系统等构成。
电池堆是系统的核心,承担把化学能转化成电能的任务;氢气系统提供燃料电池正常工作所需氢气;氧化剂系统提供燃料电池正常工作所需氧气;水热管理系统保证燃料电池堆所需空气、氢气的温度和湿度,保证电堆在正常温度下工作;安全系统由氢气探测器、数据处理系统以及灭火设备等构成,保证系统运行安全;控制系统通过检测传感器信号和需求信号,利用一定的控制策略保证系统正常工作。
2.质子交换膜燃料电池的工作原理：
质子交换膜燃料电池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,质子交换膜为电解质。其工作原理如图4-14所示。
导入的氢气通过阳极集流板(双极板)经由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层,在阳极催化剂作用下,氢分子分解为带正电的氢离子(即质子)并释放出带负电的电子，完成阳极反应;氢离子穿过膜到达阴极催化剂层,而电子则由集流板收集,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,氧气通过阴极集流板(双极板)经由阴极气体扩散层到达阴极催化剂层。在阴极催化剂的作用下,氧与透过膜的氢
离子及来自外电路的电子发生反应生成水,完成阴极反应;电极反应生成的水大部分由尾气排出,一小部分在压力差的作用下通过膜向阳极扩散。阴极和阳极发生的电化学反应为
上述过程是理想的工作过程,实际上,整个反应过程中会有很多中间步骤和中间产物的存在。
3.质子交换膜燃料电池的特点：
质子交换膜燃料电池具有以下优点。
(1)能量转化效率高过氢氧化合作用,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(2)可实现零排放唯一的排放物是纯净水,没有污染物排放,是环保型能源。
(3)运行噪声低,可靠性高质子交换膜燃料电池无机械运动部件,工作时仅有气体和水的流动。
(4)维护方便质子交换膜燃料电池内部构造简单,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。
(5)发电效率平稳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)。
(6)氢来源广泛氢是世界上存在最多的元素,氢气来源极其广泛,是一种可再生的能源资源。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。
(7)技术成熟：氢气的生产、储存、运输和使用等技术目前均已非常成熟、安全、可靠。
质子交换膜燃料电池具有以下缺点。
(1)成本高：因为膜材料和催化剂均十分昂贵,成本在不断地降低,一旦能够大规模生产,比价的经济效益将会充分显示出来。
(2)对氢的纯度要求高：这种电池需要纯净的氢,因为它们极易受到CO和其他杂质的污染。
因为质子交换膜燃料电池的工作温度低,启动速度较快,功率密度较高(体积较小)，所以很适于用作新一代交通工具的动力。从目前发展情况看,质子交换膜燃料电池是技术最成熟的燃料电池电动汽车动力源,质子交换膜燃料电池电动汽车被业内公认为是电动汽车的未来发展方向。燃料电池将会成为继蒸汽机和内燃机之后的第三代动力系统。
