PEMFC電源系統(tǒng)的工作原理及應(yīng)用范圍

早在1995年，美國總統(tǒng)辦公室政策科技辦公室發(fā)表的《國家關(guān)鍵技術(shù)報告》就將燃料電池列為對維持國家經(jīng)濟繁榮至關(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世紀十大高科技。美國的喬治？在未來10年的10大技術(shù)突破中，華盛頓大學(xué)的未來學(xué)家將燃料電池排在網(wǎng)絡(luò)生活之后的第二位。從擔任沙特石油部長20年的全球能源中心現(xiàn)任主任雅馬尼，到依靠石化燃料驅(qū)動的內(nèi)燃機開創(chuàng)汽車世紀的福特汽車公司現(xiàn)任董事長比利。這些傳統(tǒng)能源的生產(chǎn)者和使用者福特，認為，燃料電池技術(shù)將帶來石油時代和內(nèi)燃機的終結(jié)，人類將進入一個可持續(xù)綠色能源的新時代。燃料電池被國際著名出版物《經(jīng)濟學(xué)家》和《世界觀察》列為21世紀可持續(xù)發(fā)展的三大支柱之一。由于上述原因，世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了燃料電池關(guān)鍵技術(shù)研究、樣品開發(fā)和示范應(yīng)用的熱潮。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、比功率高、工作溫度低、啟動快等特點，被認為是最有前途的新能源。
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)燃燒直接通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。其工作原理與普通電池基本相同，也通過電化學(xué)反應(yīng)將物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。不同的是，傳統(tǒng)的電池是預(yù)先充入內(nèi)部物質(zhì)，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后，不再能釋放電能；燃料電池進行化學(xué)反應(yīng)所需的材料是不斷從外部填充的，所以只要提供燃料，電能和熱能就可以不斷輸出。簡而言之，普通電池是儲能裝置，燃料電池是能量轉(zhuǎn)換裝置。
質(zhì)子交換膜燃料電池主要包括氫燃料電池、甲醇重整燃料電池和直接甲醇燃料電池。目前，氫燃料電池已經(jīng)引起了電源研究者的關(guān)注。其工作原理見如圖1:在電池的一端，氫氣通過管道或氣體導(dǎo)流板到達陽極，在陽極催化劑的作用下，氫分子離解成帶正電的氫離子(即質(zhì)子)，釋放出帶負電的電子。即H22h2e-；在反應(yīng)產(chǎn)物中，氫離子通過陽極和陰極之間的固體電解質(zhì)膜到達陰極，而電子通過外部電路到達陰極。在電池的另一端，氧氣(或空氣)通過管道或氣體導(dǎo)板到達陰極。在陰極催化劑的作用下，氧與氫離子和電子反應(yīng)生成水。即1/2o  2 h2e-H2O；總化學(xué)反應(yīng)為H2 1/2O2H2O。當氫氣和氧氣不斷輸送到電池中時，電子會在外部電路中不斷運動，形成電流，可以向負載輸出電能。從上面可以看出，氫燃料電池的產(chǎn)品是對環(huán)境無害的純水。因此，使用氫燃料電池作為動力源不會造成空氣污染。2.2質(zhì)子交換膜燃料電池供電系統(tǒng)的組成
除了核心電池組，PEMFC供電系統(tǒng)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。除了電池組，整個系統(tǒng)的必要系統(tǒng)還包括：燃料供應(yīng)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)。燃料氧化劑循環(huán)系統(tǒng)的作用是為電力推進提供燃料氧化劑，同時回收反應(yīng)不完全的氣體。水/熱管理系統(tǒng)主要是保證堆內(nèi)的水/熱平衡狀態(tài)；控制系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體的流量和壓力、水/熱循環(huán)系統(tǒng)的水流速和溫度等。根據(jù)負載對電池功率的要求或電池的工作條件(壓力、溫度和電壓的變化)。它們是燃料電池正常運行的保證。這是燃料電池發(fā)動機。
2.2.1燃料電池(電池組)
膜電極是PEMFC的核心，由氣體擴散層、催化劑層和質(zhì)子交換膜組成。該催化劑是一種鉑碳催化劑，含有20%的鉑，分散在細顆粒中，負載在高比表面積的炭黑或石墨上。鉑是一種資源稀缺、價格昂貴的貴金屬。早期，鉑在膜電極上的負載量大于10毫克/平方厘米，鉑的利用率很低。直到20世紀90年代，薄膜電極的出現(xiàn)大大降低了鉑的負載量[5，6]。近年來，隨著催化劑制備方法的深入研究，膜電極的鉑負載量降低到0.02mg/cm2，電性能也有所改善。進一步降低鉑負載和尋找其他廉價催化劑一直是PEMFC研究的主要課題之一。
PEMFC不同于其他燃料電池，它使用固體質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。20世紀60年代，美國GE公司為NASA開發(fā)的空間電源采用聚苯乙炔磺酸膜，穩(wěn)定性和導(dǎo)電性差，使用壽命短。20世紀60年代中期，杜邦公司開發(fā)了一種新型全氟磺酸膜(Nafion系列材料)，大大提高了PEMFC的性能。目前，PEMFC使用的質(zhì)子交換膜都是全氟聚合物材料合成的。材料穩(wěn)定性好，使用壽命長，但制造成本太高，售價昂貴(600 ~ 800美元/m2左右)。因此，質(zhì)子交換膜的研究方向是減少質(zhì)子交換膜的用量，向薄電解質(zhì)方向發(fā)展；二是開發(fā)新型廉價的質(zhì)子交換膜。2.2.2燃料及其循環(huán)系統(tǒng)
PEMFC的燃料可以是純氫或碳氫化合物。如果電池使用純氫作為燃料，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，其中氫源可以使用壓縮氫、液態(tài)氫或金屬氫化物儲存氫。穩(wěn)壓閥控制燃氣壓力；循環(huán)回路用于回收多余的燃氣。過量的燃氣一方面可以保證電化學(xué)反應(yīng)的充分進行，另一方面也可以部分保持水平衡。通常用循環(huán)泵或噴射泵將這部分氫氣送回電池的燃氣入口。在這種情況下，可以認為氫源系統(tǒng)提供的氫氣100%用于發(fā)電。
如果PEMFC使用碳氫化合物作為燃料，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就復(fù)雜得多，包括一個燃料處理器，用于將燃料或燃料和水的混合物轉(zhuǎn)化為蒸汽，其中包括大部分氫氣、二氧化碳、水和微量一氧化碳。此外，根據(jù)燃料處理器的不同，轉(zhuǎn)化器中可能會有氮氣。必須指出，在任何PEMFC系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換器中的惰性氣體和其他氣體都會不同程度地影響電池的性能。PEMFC的工作溫度通常是100。C以下，在典型的PEMFC系統(tǒng)中，CO容易吸附在鉑催化劑上，導(dǎo)致催化劑中毒，導(dǎo)致電池性能下降。因此，轉(zhuǎn)化氣體中的一氧化碳濃度必須控制在100  10-6以下，這可以通過轉(zhuǎn)化器或選擇性氧化劑來實現(xiàn)。通過這些措施，可以保證燃氣中的一氧化碳含量低于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。如果用純氧作氧化劑，其系統(tǒng)組成和控制類似于用純氫作燃料氣。然而，從實際和商業(yè)角度來看，PEMFC使用空氣作為氧化劑，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可以是常壓或壓縮空氣。通常，使用大氣作為氧化劑可以簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)?？紤]到電池性能隨著氧壓的增加而增加，在獲得相同電池性能的前提下，使用大氣作為氧化劑的PEMFC系統(tǒng)必須具有更大的尺寸和更高的制造成本。使用大氣帶來的另一個問題是增加了電池系統(tǒng)水/熱管理的難度。這個缺點對小功率的電池系統(tǒng)沒有明顯的影響，但對大商用電源的負面影響是不可忽視的。由于這些原因，壓縮空氣在PEMFC的許多應(yīng)用中被用作氧化劑，盡管它增加了氧化劑及其循環(huán)系統(tǒng)的復(fù)雜性。通常，這樣的系統(tǒng)包括由PEMFC驅(qū)動的壓縮機和能夠從廢氣中回收部分能量的超級壓縮機。一般來說，所用氧化劑的類型取決于具體應(yīng)用中系統(tǒng)效率、重量和制造成本之間的平衡
2.2.4水/熱管理系統(tǒng)
圖2所示的水/熱管理系統(tǒng)是PEMFC采用的典型水/熱管理系統(tǒng)，以壓縮空氣作為氧化劑，大部分反應(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反應(yīng)所需的化學(xué)計量流量的兩倍。因為PEMFC的最佳工作溫度是70 ~ 90。反應(yīng)產(chǎn)物以液體形式存在，易于收集，因此與其他類型的燃料電池相比，PEMFC的水管理系統(tǒng)更簡單。此外，在其他系統(tǒng)中，反應(yīng)產(chǎn)物水也可以從陽極排出
在大多數(shù)PEMFC系統(tǒng)中，反應(yīng)產(chǎn)物水用于冷卻系統(tǒng)并部分加濕燃料氣體和氧化劑。如如圖2所示，產(chǎn)物水首先通過燃料電池堆的反應(yīng)區(qū)冷卻電池堆本身。在冷卻過程中，水蒸氣被加熱到燃料電池的工作溫度，并且被加熱的水與反應(yīng)氣體接觸以實現(xiàn)加濕。除加濕過程外，部分熱量被反應(yīng)氣體帶走，需要進一步的熱交換過程帶走水中多余的熱量，以防止PEMFC系統(tǒng)逐漸積累熱量，導(dǎo)致電池溫度上升，性能下降。這種熱交換過程通常由水/空氣熱交換器完成。當然，在一些特殊的PEMFC系統(tǒng)中，這些多余的熱量也可以用于空調(diào)加熱和飲用熱水
2.2.5控制系統(tǒng)
PEMFC系統(tǒng)是由許多子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)。系統(tǒng)的各個部分相互獨立又相互關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)的任何一部分都會直接影響電池的性能。為了保證整個系統(tǒng)的可靠運行，需要各種閥門、傳感器和水、熱和氣體調(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)的實用性。例如，作為筆記本電腦的小型PEMFC電源，控制系統(tǒng)必須在燃料電池本身已經(jīng)小型化的前提下小型化。霍奇金森指出，隨著近年來PEMFC技術(shù)的不斷進步，控制系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，而不是電池組本身，主導(dǎo)了小PEMFC系統(tǒng)的制造成本。他認為對于成本1000 $/kW的燃料電池系統(tǒng)，在量產(chǎn)的情況下，電池組本身的成本不會超過100$/kW，所以關(guān)鍵是降低控制系統(tǒng)的成本。因此，寶龍集團開發(fā)了一系列具有商業(yè)價值的PEMFC控制系統(tǒng)部件
為PEMFC的不同應(yīng)用和要求選擇合適的閥門并不容易。其實閥門本身并不貴，重量也是可以接受的，問題在于這些特殊的閥門如何獲取或者設(shè)計。目前，由于燃料電池沒有統(tǒng)一的標準，其控制系統(tǒng)中涉及的控制部件大多來自其他行業(yè)，很難保證其與燃料電池系統(tǒng)的兼容性。此外，控制部件的安全性也是必須注意的問題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、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，如手機電池［12］。據(jù)報道，PEMFC手機電池的連續(xù)待機時間可達1000小時，一次填充燃料的通話時間可達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?。?。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)公認為是電動車的未來發(fā)展方向。PEMFC可以實現(xiàn)零排放或低排放；其輸出功率密度比目前的汽油發(fā)動機輸出功率密度高得多，可達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)動機及閉式循環(huán)柴油機相比，具有效率高、噪聲低和低紅外輻射等優(yōu)點，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)境保護及經(jīng)濟的可持續(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，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)碳氫液體燃料的質(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)施補給燃料，但是目前距離實際應(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一樣進入各行各業(yè)，千家萬戶。