质子交换膜燃料电池

7.3.1 PEMFC的研究状况

中国最早开展PEMFC(工作温度为100℃以内)研制工作的是长春应用化学研究所，该所于1990年在中科院扶持下开始研究PEMFC，工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制，已制造出100WPEMFC样机。1994年又率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与美国Case Western Reserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。中国科学院大连化学物理所于1993年开展了PEMFC的研究，在电极工艺和电池结构方面做了许多工作，现已研制成工作面积为140cm2的单体电池，其输出功率达0.35W/cm2。

复旦大学在20世纪90年代初开始研制直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制备和电极制备工艺。厦门大学近年来与香港大学和美国的Case Western Reserve大学合作开展了直接甲醇PEMFC的研究。

1994年，上海大学与北京石油大学合作研究PEMFC(“八五”攻关项目)，主要研究催化剂、电极、电极膜集合体的制备工艺。

北京理工大学于1995年在兵器工业部资助下开始了PEMFC的研究，目前单体电池的电流密度为150m A/cm2。

中国科学院工程热物理研究所于1994年开始研究PEMFC，主要研究使用计算传热和计算流体力学方法对各种供气、增湿、排热和排水方案进行比较，提出改进的传热和传质方案。

天津电源研究所1997年开始PEMFC的研究，拟从国外引进1.5k W的电池，在解析吸收国外先进技术的基础上开展研究。

1995年北京富原公司与加拿大新能源公司合作进行PEMFC的研制与开发，5k W的PEMFC样机现已研制成功并开始接受订货。

7.3.2 PEMFC的工作原理

PEMFC反应(图7-2)中与氢离子(H+)相关，发生的反应如下:

燃料极

H2→2H++2e-　(7-1)

空气极

2H++1/2O2+2e-→H2O　(7-2)

全反应

H2+1/2O2→H2O　(7-3)

图7-2 燃料电池工作原理示意图

在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应，e-经由外部的负荷回路，再返回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系列的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从反应式(7-3)可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于1V。因此，为了获得大的输出电力需采用组件多层叠加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成正比。

PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以Pt作为触媒，燃料气体中的CO将造成中毒，降低电极性能。为此，在PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。