标签: 质子交换膜

    燃料电池（ Fuel Cell, FC ）从 1839 年问世以来，已经经过了 160 多年的发展。直到 20 世纪 60 年代，燃料电池作为航空器的动力源，才得到了实际的应用。 1993 年加拿大的巴拉德公司证实了燃料电池汽车可以与燃油汽车等同的效能。而后的许多厂家都开始了燃料电池的研究。目前有 5 种燃料电池，由于质子交换膜燃料电池能在常温下工作，所以成为研究最为活跃，进展也最快的燃料电池，目前汽车上用的燃料电池多为质子交换膜燃料电池。   工作原理 燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。燃料电池通常由三部分组成，即阳极 (A) 、阴极 (C) 和电解液 (E) ，阳极为燃料电极，在催化剂作用下发生氧化反应并汇出电子到外电路。阴极在催化剂作用下发生还原反应，并从外电路接受电子。电解液用于传递燃料反应的离子和电子。   若电解质溶液是碱溶液： 负极反应式为： 2H 2 + 4OH ˉ -4e ˉ = 4H 2 0 正极为： O 2 + 2H 2 O + 4e ˉ = 4OH ˉ   若电解质溶液是盐溶液： 负极反应式为： 2H 2 -4e ˉ = 4H + （阳离子）， 正极为： O 2 +4e ˉ +2H 2 O = 4OH ˉ   工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气，起作用的成分为氧气）。氢在负极分解成正离子 H+ 和电子 e- 。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。是水的电解反应的逆过程。见下图：   图： 燃料电池原理       燃料电池的分类 由于人们是从不同角度来研究和开发燃料电池的，所以其种类也繁多，但目前主要有 3 种。   质子交换膜技术 质子交换膜技术（或者称聚合物电解液膜技术）——简称 PEMFC （ Proton Exchange Membrane Fuel Cell ）。由于它能提供比传统锂离子电池大约高出 5 ～ 10 倍的能量密度，比甲醇燃料电池也有更高的能量密度，所以，人们都看好质子交换膜技术的氢燃料电池，虽然它还存在着储存及安全等问题，但人们正在克服它，最终有望在 3 ～ 5 年实现可存储在像打火机大小的容器中，充一次氢气发电可供手机使用几天，它将是未来便携式电子产品供电系统的首选。   直接甲醇燃料电池 直接甲醇燃料电池——简称 DMFC （ Direct Methanol Fuel Cell ）。它是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储，因为，在汽车上早已使用甲醇溶液作为挡风玻璃的刮洗液了，故不存在安全问题。但甲醇存在泄漏问题，虽然用水稀释可以解决，但是电解效率却大大降低，目前正在解决渗漏问题。   直接乙醇燃料电池 直接乙醇燃料电池——简称 DEFC （ Direct Ethanol Fuel Cell ）。为避免甲醇的渗漏问题，而采用乙醇，它也是由两个电极、燃料及电解液组成的。   总之， 3 种燃料电池技术各有千秋，都在为第三代（ 3G ）移动电话的电源供电系统而努力工作着。   燃料氢的来源 我国有六七千条江河，虽然这种天然的流水不太深，流量不太大，但它们都能驱动发电机工作，只要设计一种水力直流发电机，把它放入流动的河流中，在水力的驱动下发电，利用这种直流电通过电解设备去电解水，就可以得到氢和氧，然后经过氢的检测、提纯、压缩、存储等技术处理，就可获得 99.999 ％的纯净氢。整个过程是一种持久的绿色新能源系统工程，生产的全过程中只须开发一种低压大电流水力发电机组，而高效电解水设备，氢气的回收检测，提纯装置，压缩存储设备等，在市场上均有成品出售。   电解水产生氢的设备一般在 200L/kW · h ，如果是一台 50kW 的水力直流发电机，一天 24h 可产生氢 240kL ，所以水是未来的燃料，未来的能源。   燃料电池的效能解析 燃料电池是一个能量生成装置，并且一直产生能量，直到燃料耗尽。它的优越性在于高效率的把燃料转化为电能，工作安静，以纯氢为燃料时可以实现零排放，燃料补充迅速，并且燃料容易获得。缺点是现在的应用技术还需要进一步的提高，还存在一定的安全问题和价格问题。   燃料电池的特点 1 、能量转化效率高。 2 、有害气体 SOx 、 NOx 及杂讯排放都很低。 3 、燃料适用范围广。 4 、积木化强　规模及装载地点灵活，燃料电池电站占地面积小，建设周期短，电站功率。 5 、可根据需要由电池堆组装，十分方便。 6 、负荷回应快，执行品质高   燃料电池的具体应用 1 、电动汽车，电动自行车，潜艇以及能源备用体系。 2 、可携式装置的备用电源：手机，数码相机，笔记型电脑电脑等等。   燃料电池的发展前景 90 年代以来燃料电池成为各个发达国家竞相开发的电动车电池。加拿大、美国、日本、德国等国家处于领先地位，其中以加拿大的巴拉德公司最为先进。燃料电池电动车是唯一能与燃油汽车相比的电动车，但仍面临着一家族无法克服的技术和市场化障碍，未来可能有一定的生存空间。   燃料电池汽车要达到商品化还要克服许多困难，高额的开发费用更是限制它发展的原因。但是在未来的 5~10 年内，燃料电池技术必将得到飞速的发展。