質(zhì)子交換膜氫燃料電池工作原理

質(zhì)子交換膜氫燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，英文簡(jiǎn)稱PEMFC）是一種燃料電池，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。

氫燃料電池兩電極的反應(yīng)分別為：

陽(yáng)極（負(fù)極）：2H₂ – 4e = 4H⁺

陰極（正極）：O₂ + 4e + 4H⁺ = 2H₂O注意所有的電子e都省略了負(fù)號(hào)上標(biāo)。由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過(guò)外電路才能到達(dá)陰極。當(dāng)電子通過(guò)外電路流向陰極時(shí)就產(chǎn)生了直流電。以陽(yáng)極為參考時(shí)，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負(fù)載時(shí)輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5~1V之間。將多個(gè)單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實(shí)際負(fù)載需要的燃料電池堆。

PEMFC的電極常被稱為膜電極組件，它是指質(zhì)子交換膜和其兩側(cè)各一片多孔氣體擴(kuò)散電極（涂有催化劑的多孔碳布）組成的陰、陽(yáng)極和電解質(zhì)的復(fù)合體。

電堆由多個(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合而成。將雙極板與膜電極三合一組件（MEA）交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，如附圖所示。疊合壓緊時(shí)應(yīng)確保氣體主通道對(duì)正以便氫氣和氧氣能順利通達(dá)每一單電池。電堆工作時(shí)，氫氣和氧氣分別由進(jìn)口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過(guò)電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。

電堆的核心是MEA組件和雙極板。MEA是將兩張噴涂有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置于經(jīng)預(yù)處理的質(zhì)子交換膜兩側(cè)，使催化劑靠近質(zhì)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(qiáng)度，無(wú)穿孔性漏氣，在高壓強(qiáng)下無(wú)變形，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，與電極相容性好等特點(diǎn)。常用石墨雙極板厚度約2~3.7mm，經(jīng)銑床加工成具有一定形狀的導(dǎo)流流體槽及流體通道，其流道設(shè)計(jì)和加工工藝與電池性能密切相關(guān)。

質(zhì)子交換膜氫燃料電池優(yōu)點(diǎn)

質(zhì)子交換膜燃料電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：e其發(fā)電過(guò)程不涉及氫氧燃燒，因而不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換率高；發(fā)電時(shí)不產(chǎn)生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時(shí)也沒(méi)有噪音。所以，質(zhì)子交換膜燃料電池電源是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。

質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度低、啟動(dòng)快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便等被公認(rèn)為電動(dòng)汽車、固定發(fā)電站等的首選能源。在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使得質(zhì)子經(jīng)過(guò)膜從陽(yáng)極到達(dá)陰極，與外電路的電子轉(zhuǎn)移構(gòu)成回路，向外界提供電流，因此質(zhì)子交換膜的性能對(duì)燃料電池的性能起著非常重要的作用，它的好壞直接影響電的使用壽命。

質(zhì)子交換類膜氫燃料電池存在下述缺點(diǎn)：

（1）制作困難、成本高，全氟物質(zhì)的合成和磺化都非常困難，而且在成膜過(guò)程中的水解、磺化容易使聚合物變性、降解，使得成膜困難，導(dǎo)致成本較高；

（2）對(duì)溫度和含水量要求高，Nafion系列膜的最佳工作溫度為70~90℃，超過(guò)此溫度會(huì)使其含水量急劇降低，導(dǎo)電性迅速下降，阻礙了通過(guò)適當(dāng)提高工作溫度來(lái)提高電極反應(yīng)速度和克服催化劑中毒的難題；

（3）某些碳?xì)浠衔?，如甲醇等，滲透率較高，不適合用作直接甲醇燃料電池（DMFC）的質(zhì)子交換膜。

質(zhì)子交換膜氫燃料電池的應(yīng)用

質(zhì)子交換膜氫燃料電池發(fā)電作為新一代發(fā)電技術(shù)，其廣闊的應(yīng)用前景可與計(jì)算機(jī)技術(shù)相媲美。經(jīng)過(guò)多年的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)，質(zhì)子交換膜氫燃料電池用作汽車動(dòng)力的研究已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，微型質(zhì)子交換膜燃料電池便攜電源和小型質(zhì)子交換膜燃料電池移動(dòng)電源已達(dá)到產(chǎn)品化程度，中、大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的研究也取得了一定成果。

采用質(zhì)子交換膜燃料電池氫能發(fā)電將大大提高重要裝備及建筑電氣系統(tǒng)的供電可靠性，使重要建筑物以市電和備用集中柴油電站供電的方式向市電與中、小型質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電裝置、太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等分散電源聯(lián)網(wǎng)備用供電的靈活發(fā)供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，極大地提高建筑物的智能化程度、節(jié)能水平和環(huán)保效益。