PEMFC電源系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用范圍

作者：楊貴恒;呂林;賀明智

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(guān)鍵技術(shù)報告中，就將燃料電池列入維護(hù)國家經(jīng)濟(jì)繁榮的至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。同年，美國《時代周刊》也將燃料電池列為21世紀(jì)10大高新技術(shù)之首。美國喬治？華盛頓大學(xué)未來學(xué)家評出的未來10年10大技術(shù)突破中，燃料電池位于網(wǎng)絡(luò)生活之后列第 2位。從擔(dān)任沙特阿拉伯石油部長達(dá)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(qū)動的內(nèi)燃機(jī)而創(chuàng)造了汽車世紀(jì)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(chǎn)者和使用者都相信燃料電池技術(shù)將帶來石油時代和內(nèi)燃機(jī)的終結(jié)，人類將進(jìn)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(jīng)濟(jì)學(xué)家》和《世界觀察》等列為21世紀(jì)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(guān)鍵技術(shù)研究、樣品開發(fā)及示范應(yīng)用熱潮。而在幾種主要的燃料電池（質(zhì)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(zhì)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(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的新能源。

2 質(zhì)子交換膜燃料電池及其系統(tǒng)

2.1 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理

燃料電池是一種不經(jīng)過燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(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(xué)反應(yīng)把物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。所不同的是，傳統(tǒng)電池是事先填充好內(nèi)部物質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后，不能再釋放出電能;而燃料電池進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所需的物質(zhì)是由外部不斷填充的，只要供應(yīng)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(zhuǎn)換裝置。

質(zhì)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?qū)獍宓竭_(dá)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(zhì)子）并釋放出帶負(fù)電的電子。即：H2→2H++2e-；反應(yīng)生成物中，氫離子穿過陽極和陰極之間的固體電解質(zhì)膜到達(dá)陰極，電子則通過外電路到達(dá)陰極。在電池另一端，氧氣（或空氣）通過管道或?qū)獍宓竭_(dá)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(yīng)生成水。即：1/2O2+2H++2e-→H2O；總的化學(xué)反應(yīng)為：H2+1/2O2→H2O。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(yùn)動形成電流，從而可以向負(fù)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(zhì)子交換膜燃料電池電源系統(tǒng)的構(gòu)成

PEMFC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。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(yīng)未完全的氣體；水／熱管理系統(tǒng)主要是保證電池堆內(nèi)部的水／熱平衡狀態(tài)；控制系統(tǒng)則根據(jù)負(fù)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(yīng)氣體的流量、壓力、水／熱循環(huán)系統(tǒng)的水流速和溫度等進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)；它們是燃料電池正常工作的保證。這就是燃料電池發(fā)動機(jī)。

2.2.1 燃料電池（堆）

膜電極是PEMFC的核心，由氣體擴(kuò)散層、催化劑層和質(zhì)子交換膜組成。催化劑是將鉑分散成微小顆粒負(fù)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(jìn)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(zhì)子交換膜作電解質(zhì)。 20世紀(jì)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(dǎo)電性均不理想，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(zhì)子交換膜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600～800$/m2）。因此質(zhì)子交換膜的研究，一是減少質(zhì)子交換膜的用量，朝薄型電解質(zhì)發(fā)展；二是研制新型價廉的質(zhì)子交換膜。

2.2.2 燃料及其循環(huán)系統(tǒng)

PEMFC的燃料可選用純氫或碳?xì)浠衔?，如果電池以純氫為燃料，則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xué)反應(yīng)的充分進(jìn)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(rèn)為由氫源系統(tǒng)所提供的氫100%被用來發(fā)電。

如果PEMFC以碳?xì)浠衔餅槿剂希瑒t該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要相對復(fù)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(zhuǎn)換成蒸氣，這類轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器中可能還有氮?dú)?。必須指出的是，在任何PEMFC系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換器中的惰性氣體和其它氣體都將不同程度的影響電池的性能。由于PEMFC的工作溫度通常在100。C以下，在典型的PEMFC系統(tǒng)中，CO很容易吸附在鉑催化劑上，引起催化劑中毒，導(dǎo)致電池性能下降。因而，必須將轉(zhuǎn)換氣中的CO濃度控制在100×10-6以下，這可通過一個轉(zhuǎn)換器或一個選擇氧化器來實(shí)現(xiàn)，通過這些措施，可保證燃料氣中的CO含量低于10×10- 6。

2.2.3 氧化劑及其循環(huán)系統(tǒng)

PEMFC的氧化劑可以是純氧或空氣，若以純氧作氧化劑，其系統(tǒng)組成和控制與純氫作燃料氣相類似。然而，從實(shí)用化和商業(yè)化的角度來考慮，PEMFC均采用空氣作氧化劑，其中對應(yīng)與不同的應(yīng)用需要，空氣可以是常壓的，也可以是壓縮的。通常，采用常壓空氣作氧化劑，可簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，考慮到電池性能隨氧壓力的增大而升高，因而在獲得同等電池性能的前提下，采用常壓空氣作氧化劑的 PEMFC系統(tǒng)必須具有較大的尺寸和更高的制造成本。采用常壓空氣帶來的另外一個問題是增加了電池系統(tǒng)水/熱管理的難度，這種缺點(diǎn)對小型低功率電池系統(tǒng)的影響并不明顯，但對大型商用電源來說，其負(fù)面影響不可忽視。正是由于上述原因，在PEMFC的眾多應(yīng)用中，均采用壓縮空氣作氧化劑，盡管增加了氧化劑及其循環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性。通常，這樣一個系統(tǒng)都包含有一個由PEMFC驅(qū)動的壓縮機(jī)和一個可從排放氣中回收部分能量的超級壓縮器。一般來說，采用何種形式的氧化劑，取決于特定應(yīng)用場合下系統(tǒng)效率、重量及制造成本之間的平衡。

2.2.4 水/熱管理系統(tǒng)

圖2中所示的水/熱管理系統(tǒng)是以壓縮空氣作氧化劑的PEMFC所采用的典型的水/熱管理系統(tǒng)，大部分的反應(yīng)產(chǎn)物水通過過量的空氣流從陰極排出。通常，氧化劑的流量是PEMFC發(fā)生反應(yīng)所需化學(xué)計量流量的2倍。由于PEMFC的最佳工作溫度為70～90。C，反應(yīng)產(chǎn)物均以液態(tài)形式存在，易于收集，因而相對其它類型的燃料電池而言， PEMFC的水管理系統(tǒng)更為簡單，另外，在其它的一些系統(tǒng)中反應(yīng)產(chǎn)物水也可由陽極排出。

在多數(shù)PEMFC系統(tǒng)中，反應(yīng)產(chǎn)物水被用于系統(tǒng)的冷卻和部分用來加濕燃料氣和氧化劑，如圖2所示，產(chǎn)物水首先通過燃料電池堆的反應(yīng)區(qū)冷卻電堆本身，在冷卻的過程中水蒸氣被加熱至燃料電池的工作溫度，被加熱的水再與反應(yīng)氣體接觸，起到增濕的效果。除了在增濕的過程中，部分熱量被反應(yīng)氣體帶走外，還需要一個進(jìn)一步的熱交換過程，將水中多余的熱量帶走，防止 PEMFC系統(tǒng)熱量逐步積累，造成電池溫度上升，性能下降。這種熱交換過程通常是采用一個水/空氣熱交換器來完成，當(dāng)然在一些特殊的PEMFC系統(tǒng)中，這部分過多的熱量也可用作空調(diào)加熱和飲用熱水來使用。

2.2.5 控制系統(tǒng)

PEMFC系統(tǒng)是一個由眾多子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每一部分既相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系，任一部分工作失常都將直接影響電池性能。為了保證整個系統(tǒng)可靠運(yùn)行，需要多種功能不同的閥件、傳感器和水、熱、氣調(diào)節(jié)控制裝置，由這些控制裝置及其相應(yīng)的管路組成的控制系統(tǒng)在很大程度上決定了PEMFC系統(tǒng)的實(shí)用性，如作為筆記本電腦電源的小型 PEMFC，在燃料電池本體已實(shí)現(xiàn)微型化的前提下，控制系統(tǒng)也必須實(shí)現(xiàn)微型化。Hodkinson R.L曾指出，近幾年隨著PEMFC技術(shù)的不斷完善，在小型PEMFC系統(tǒng)的制造成本中，占主導(dǎo)的不再是電堆本身，而是控制系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，他認(rèn)為對于成本為1000$/kW的燃料電池系統(tǒng)，在批量生產(chǎn)的條件下，電堆本身的成本不會超過100$/kW，因而關(guān)鍵是要降低控制系統(tǒng)的成本。為此， Polaron Group開發(fā)出一系列具有商用價值的PEMFC控制系統(tǒng)部件。

針對PEMFC的不同應(yīng)用場合和要求，要選擇合適的閥并非一件易事。事實(shí)上，閥本身成本并不高，重量也可以接受，但問題在于如何得到或設(shè)計這些特定的閥。目前，由于燃料電池并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其控制系統(tǒng)中所涉及到的一些控制部件大部分是來自其他行業(yè)，這樣很難保證它們與燃料電池系統(tǒng)的配套性。此外，控制部件的安全性也是一個必須注意的問題。

另外，質(zhì)子交換膜燃料電池所產(chǎn)生的電能為直流電，其輸出電壓因受內(nèi)阻的影響還隨負(fù)荷的變化而改變?；谏鲜鲈颍瑸闈M足大多數(shù)負(fù)載對交流供電和電壓穩(wěn)定度的要求，在燃料電池系統(tǒng)的輸出端，須要配置功率變換單元。當(dāng)負(fù)載需要交流供電時，應(yīng)采用DC/AC變換器；當(dāng)負(fù)載要求直流供電時，也需要用DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)燃料電池組輸出電能的升壓與穩(wěn)壓。

3.質(zhì)子交換膜燃料電池在電源方面的應(yīng)用

燃料電池以其能量轉(zhuǎn)換效率高、對環(huán)境污染小、可靠性和維護(hù)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為繼水力、火力和核能之后的第四代發(fā)電裝置，而PEMFC更以其獨(dú)特的優(yōu)勢，成為適應(yīng)性最廣的燃料電池類型?？偟膩碚f，PEMFC的應(yīng)用范圍包括兩方面：固定式電源（分散型電站）和移動式電源。

3.1 固定式電源（分散型電站）

PEMFC應(yīng)用于大規(guī)模中心發(fā)電廠，與傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)相比，盡管在效率和環(huán)境保護(hù)方面存在一定的優(yōu)勢，但考慮到制造成本以及燃料方面所受到的限制， PEMFC不宜作為中心發(fā)電廠的發(fā)電裝置，但我們知道，發(fā)電廠如果規(guī)模太小，就會得不償失，而PEMFC就非常靈活，可做成任意規(guī)模，因此PEMFC作為分散型電站，其應(yīng)用前景相當(dāng)可觀。

PEMFC分散型電站可以與電網(wǎng)供電系統(tǒng)共用，主要用于調(diào)峰；也可作為分散型主供電源，獨(dú)立供電，適于用作海島、山區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)或新開發(fā)地區(qū)電站。

與集中供電方式相比，分散供電方式有較多的優(yōu)點(diǎn)：（1）可省去電網(wǎng)線路及配電調(diào)度控制系統(tǒng)；（2）有利于熱電聯(lián)供（由于PEMFC電站無噪聲，可以就近安裝，PEMFC發(fā)電所產(chǎn)生的熱可以進(jìn)入供熱系統(tǒng)），可使燃料總利用率高達(dá)80%以上；（3）受戰(zhàn)爭和自然災(zāi)害等的影響比較?。唬?）通過天然氣、煤氣重整制氫，可利用現(xiàn)有天然氣、煤氣供氣系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施為PEMFC提供燃料，通過生物制氫、太陽能電解制氫方法則可形成循環(huán)利用系統(tǒng)（這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于廣大的農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)），使系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本大大降低。因此，PEMFC電站的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性均很好。國際上普遍認(rèn)為，隨著燃料電池的推廣應(yīng)用，發(fā)展PEMFC分散型電站將是一大趨勢。

3.2 移動式電源

一是用作便攜電源、小型移動電源、車載電源、備用電源、不間斷電源等，適用于軍事、通訊、計算機(jī)、地質(zhì)、微波站、氣象觀測站、金融市場、醫(yī)院及娛樂場所等領(lǐng)域，以滿足野外供電、應(yīng)急供電以及高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。

PEMFC電源的功率最小的只有幾瓦，如手機(jī)電池［12］。據(jù)報道，PEMFC手機(jī)電池的連續(xù)待機(jī)時間可達(dá)1000小時，一次填充燃料的通話時間可達(dá) 100小時（摩托羅拉）。適用于筆記本電腦等便攜電子設(shè)備的PEMFC電源的功率范圍大致在數(shù)十瓦至數(shù)百瓦（東芝）。軍用背負(fù)式通訊電源的功率大約為數(shù)百瓦級。衛(wèi)星通訊車用的車載PEMFC電源的功率一般為數(shù)千瓦級。

二是可用作助動車、摩托車、汽車、火車、船舶等交通工具動力，以滿足環(huán)保對車輛船舶排放的要求。

PEMFC的工作溫度低，啟動速度較快，功率密度較高（體積較小）。因此，很適于用作新一代交通工具動力。這是一項潛力十分巨大的應(yīng)用。由于汽車是造成能源消耗和環(huán)境污染的首要原因，因此，世界各大汽車集團(tuán)競相投入巨資，研究開發(fā)電動汽車和代用燃料汽車。從目前發(fā)展情況看，PEMFC是技術(shù)最成熟的電動車動力源，PEMFC電動車被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是電動車的未來發(fā)展方向。PEMFC可以實(shí)現(xiàn)零排放或低排放；其輸出功率密度比目前的汽油發(fā)動機(jī)輸出功率密度高得多，可達(dá)1.6KW/升。

用作電動自行車、助動車和摩托車動力的PEMFC系統(tǒng)，其功率范圍分別是300-500W、500W-2KW、2-10KW。游覽車、城市工程車、小轎車等輕型車輛用的PEMFC動力系統(tǒng)的功率一般為10-60KW。公交車的功率則需要100-175KW。

PEMFC用作潛艇動力源時，與斯特林發(fā)動機(jī)及閉式循環(huán)柴油機(jī)相比，具有效率高、噪聲低和低紅外輻射等優(yōu)點(diǎn)，對提高潛艇隱蔽性、靈活性和作戰(zhàn)能力有重要意義。美國、加拿大、德國、澳大利亞等國海軍都已經(jīng)裝備了以PEMFC為動力的潛艇，這種潛艇可在水下連續(xù)潛行一個月之久。

綜上所述：PEMFC應(yīng)用廣，市場潛力大，對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、環(huán)境保護(hù)及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展均有重要意義。

4. PEMFC電源系統(tǒng)商業(yè)化前景

質(zhì)子交換膜燃料電池電源系統(tǒng)雖具有高效、環(huán)境友好等突出優(yōu)點(diǎn)，但受以下因素的影響，導(dǎo)致其商業(yè)化的推廣旅程還很艱辛。

（1） 價格局限。由于質(zhì)子交換膜尚未產(chǎn)業(yè)化，成本較高，再加上使用貴金屬——鉑作催化劑，因此燃料電池的價格雖然已有所降低，但與汽油、柴油發(fā)動機(jī)相比（約50$/kW）還有較大差距。

（2） 燃料的限制。目前質(zhì)子交換膜燃料電池，主要以純氫氣為燃料。由于現(xiàn)有的燃料供給設(shè)施的限制，氫燃料的補(bǔ)給是制約質(zhì)子交換膜燃料電池推廣的瓶頸。鑒于此各國紛紛研制、開發(fā)碳?xì)湟后w燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池。甲醇、汽油等燃料重整質(zhì)子交換膜燃料電池的研究已取得可喜成果，如能在關(guān)鍵技術(shù)上突破，則可利用現(xiàn)有的燃料配給設(shè)施補(bǔ)給燃料，但是目前距離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。

由此可見，質(zhì)子交換膜燃料電池電源是一種高效率、低噪聲的新型發(fā)電設(shè)備。在研制過程中，不僅需要性能優(yōu)良、運(yùn)行可靠的質(zhì)子交換膜燃料電池組（堆），同時須要燃料貯存、氧化劑（空氣）供給、溫度調(diào)節(jié)，以及系統(tǒng)控制等功能單元的科學(xué)合理配置。PEMFC電源在技術(shù)上已基本成熟，其推廣應(yīng)用的障礙主要是價格問題。但我們只要回顧一下電子計算機(jī)從電子管到晶體管、從小規(guī)模集成電路到中大規(guī)模集成電路，最后到超大規(guī)模集成電路的幾代發(fā)展史，我們不難得出推斷：PEMFC電源最終將與計算機(jī)一樣進(jìn)入各行各業(yè)，千家萬戶。

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