PEMFC电源系统的工作原理及应用范围

作者：杨贵恒;吕林;贺明智

1 引言

早在1995年，美国总统办公厅科技政策办公室公布的国家关键技术报告中，就将燃料电池列入维护国家经济繁荣的至关重要的关键技术领域。同年，美国《时代周刊》也将燃料电池列为21世纪10大高新技术之首。美国乔治？华盛顿大学未来学家评出的未来10年10大技术突破中，燃料电池位于网络生活之后列第 2位。从担任沙特阿拉伯石油部长达20年的现任全球能源中心主任雅玛尼，到依赖石化燃料驱动的内燃机而创造了汽车世纪的美国福特汽车公司现任董事长比里 ？福特，这些传统能源的生产者和使用者都相信燃料电池技术将带来石油时代和内燃机的终结，人类将进入可持续发展的绿色能源新时代。燃料电池已被国际著名刊物《经济学家》和《世界观察》等列为21世纪可持续发展的三大支柱之一。正是由于上述原因，目前已掀起全球范围的燃料电池关键技术研究、样品开发及示范应用热潮。而在几种主要的燃料电池（质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池）中，质子交换膜燃料电池具有无腐蚀、寿命长，重量轻、体积小、比功率大，操作温度低和起动快等特点，被认为是最有发展前途的新能源。

2 质子交换膜燃料电池及其系统

2.1 质子交换膜燃料电池的工作原理

燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置。其工作原理与普通电池基本相同，也是通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。所不同的是，传统电池是事先填充好内部物质，化学反应结束后，不能再释放出电能;而燃料电池进行化学反应所需的物质是由外部不断填充的，只要供应燃料，就能源源不断地输出电能和热能。简言之，普通电池是能量储存装置，而燃料电池是能量转换装置。

质子交换膜燃料电池主要有氢燃料电池、甲醇重整燃料电池和直接甲醇燃料电池三种。目前，尤以氢燃料电池倍受电源研究开发人员的注目。其工作原理如图1所示：在电池的一端，氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子。即：H2→2H++2e-；反应生成物中，氢离子穿过阳极和阴极之间的固体电解质膜到达阴极，电子则通过外电路到达阴极。在电池另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极。在阴极催化剂作用下，氧气与氢离子及电子发生反应生成水。即：1/2O2+2H++2e-→H2O；总的化学反应为：H2+1/2O2→H2O。连续不断地向电池输送氢气和氧气， 电子就会在外电路连续运动形成电流，从而可以向负载输出电能。从以上可以看出，氢燃料电池的生成物是对环境无害的纯水，因此，使用氢燃料电池作动力源，不会造成大气污染。

图1 PEMFC工作原理示意图

图2 典型的PEMFC系统示意图

2.2 质子交换膜燃料电池电源系统的构成

PEMFC电源系统除了核心部分电池堆外，还需要一些辅助系统才能正常工作。图2是典型的PEMFC系统示意图。整个系统除了电池堆外，必备的系统还包括：燃料供给系统、氧化剂及其循环系统、水／热管理系统和控制系统。燃料和氧化剂循环系统的功能是向电推提供燃料氧化剂，同时循环回收反应未完全的气体；水／热管理系统主要是保证电池堆内部的水／热平衡状态；控制系统则根据负载对电池功率的要求，或电池的工作条件（压力、温度、电压的变化），对反应气体的流量、压力、水／热循环系统的水流速和温度等进行控制和调节；它们是燃料电池正常工作的保证。这就是燃料电池发动机。

2.2.1 燃料电池（堆）

膜电极是PEMFC的核心，由气体扩散层、催化剂层和质子交换膜组成。催化剂是将铂分散成微小颗粒负载在高比表面的碳黑或石墨上，形成含量为20%的 Pt/C催化剂。铂是贵金属，资源稀少、价格昂贵。早期的膜电极Pt的载量为10mg/cm2以上，Pt的利用率很低。直到90年代，薄膜电极的出现，使 Pt载量大幅度降低［5，6］。近年来，随着催化剂制备方法的深入研究，膜电极的Pt载量已降低至0.02mg/cm2，电性能亦得到提高。进一步降低载铂量，寻找其它价廉的催化剂，一直是PEMFC研究的主要课题之一。

PEMFC不同于其它燃料电池之处就在于使用固态的质子交换膜作电解质。 20世纪60年代，美国GE公司为NASA研制的空间电源采用了聚苯乙炔磺酸膜，其稳定性、导电性均不理想，使用寿命也短。60年代中期，美国杜邦公司研制出新型全氟磺酸膜（Nafion系列材料）将PEMFC性能大幅度提高。目前在PEMFC中使用的质子交换膜均采用全氟化聚合物材料合成。该材料稳定性好、使用寿命长，但其制造成本过高，售价昂贵（约为600～800$/m2）。因此质子交换膜的研究，一是减少质子交换膜的用量，朝薄型电解质发展；二是研制新型价廉的质子交换膜。

2.2.2 燃料及其循环系统

PEMFC的燃料可选用纯氢或碳氢化合物，如果电池以纯氢为燃料，则系统结构相对简单，仅由氢源、稳压阀和循环回路组成，其中氢源可采用压缩氢、液氢或金属氢化物储氢；稳压阀控制燃料气的压力；循环回路用以循环利用过量的燃料气，燃料气的过量一方面是保证电化学反应的充分进行，另一方面也可以部分起到保持水平衡的作用，通常是采用一个循环泵或喷射泵将这部分氢送回到电池燃料气的入口处，在这种情况下，可认为由氢源系统所提供的氢100%被用来发电。

如果PEMFC以碳氢化合物为燃料，则该系统结构要相对复杂的多，其中至要包括一个燃料处理器，用来将燃料或燃料与水的混合物转换成蒸气，这类转换气包括大部分氢、二氧化碳、水和微量的一氧化碳。另外，随燃料处理器的不同，转换器中可能还有氮气。必须指出的是，在任何PEMFC系统中，转换器中的惰性气体和其它气体都将不同程度的影响电池的性能。由于PEMFC的工作温度通常在100。C以下，在典型的PEMFC系统中，CO很容易吸附在铂催化剂上，引起催化剂中毒，导致电池性能下降。因而，必须将转换气中的CO浓度控制在100×10-6以下，这可通过一个转换器或一个选择氧化器来实现，通过这些措施，可保证燃料气中的CO含量低于10×10- 6。

2.2.3 氧化剂及其循环系统

PEMFC的氧化剂可以是纯氧或空气，若以纯氧作氧化剂，其系统组成和控制与纯氢作燃料气相类似。然而，从实用化和商业化的角度来考虑，PEMFC均采用空气作氧化剂，其中对应与不同的应用需要，空气可以是常压的，也可以是压缩的。通常，采用常压空气作氧化剂，可简化系统的结构，考虑到电池性能随氧压力的增大而升高，因而在获得同等电池性能的前提下，采用常压空气作氧化剂的 PEMFC系统必须具有较大的尺寸和更高的制造成本。采用常压空气带来的另外一个问题是增加了电池系统水/热管理的难度，这种缺点对小型低功率电池系统的影响并不明显，但对大型商用电源来说，其负面影响不可忽视。正是由于上述原因，在PEMFC的众多应用中，均采用压缩空气作氧化剂，尽管增加了氧化剂及其循环系统的复杂性。通常，这样一个系统都包含有一个由PEMFC驱动的压缩机和一个可从排放气中回收部分能量的超级压缩器。一般来说，采用何种形式的氧化剂，取决于特定应用场合下系统效率、重量及制造成本之间的平衡。

2.2.4 水/热管理系统

图2中所示的水/热管理系统是以压缩空气作氧化剂的PEMFC所采用的典型的水/热管理系统，大部分的反应产物水通过过量的空气流从阴极排出。通常，氧化剂的流量是PEMFC发生反应所需化学计量流量的2倍。由于PEMFC的最佳工作温度为70～90。C，反应产物均以液态形式存在，易于收集，因而相对其它类型的燃料电池而言， PEMFC的水管理系统更为简单，另外，在其它的一些系统中反应产物水也可由阳极排出。

在多数PEMFC系统中，反应产物水被用于系统的冷却和部分用来加湿燃料气和氧化剂，如图2所示，产物水首先通过燃料电池堆的反应区冷却电堆本身，在冷却的过程中水蒸气被加热至燃料电池的工作温度，被加热的水再与反应气体接触，起到增湿的效果。除了在增湿的过程中，部分热量被反应气体带走外，还需要一个进一步的热交换过程，将水中多余的热量带走，防止 PEMFC系统热量逐步积累，造成电池温度上升，性能下降。这种热交换过程通常是采用一个水/空气热交换器来完成，当然在一些特殊的PEMFC系统中，这部分过多的热量也可用作空调加热和饮用热水来使用。

2.2.5 控制系统

PEMFC系统是一个由众多子系统组成的复杂系统，系统中的每一部分既相互独立，又相互联系，任一部分工作失常都将直接影响电池性能。为了保证整个系统可靠运行，需要多种功能不同的阀件、传感器和水、热、气调节控制装置，由这些控制装置及其相应的管路组成的控制系统在很大程度上决定了PEMFC系统的实用性，如作为笔记本电脑电源的小型 PEMFC，在燃料电池本体已实现微型化的前提下，控制系统也必须实现微型化。Hodkinson R.L曾指出，近几年随着PEMFC技术的不断完善，在小型PEMFC系统的制造成本中，占主导的不再是电堆本身，而是控制系统和能量转换系统，他认为对于成本为1000$/kW的燃料电池系统，在批量生产的条件下，电堆本身的成本不会超过100$/kW，因而关键是要降低控制系统的成本。为此， Polaron Group开发出一系列具有商用价值的PEMFC控制系统部件。

针对PEMFC的不同应用场合和要求，要选择合适的阀并非一件易事。事实上，阀本身成本并不高，重量也可以接受，但问题在于如何得到或设计这些特定的阀。目前，由于燃料电池并没有统一的标准，其控制系统中所涉及到的一些控制部件大部分是来自其他行业，这样很难保证它们与燃料电池系统的配套性。此外，控制部件的安全性也是一个必须注意的问题。

另外，质子交换膜燃料电池所产生的电能为直流电，其输出电压因受内阻的影响还随负荷的变化而改变。基于上述原因，为满足大多数负载对交流供电和电压稳定度的要求，在燃料电池系统的输出端，须要配置功率变换单元。当负载需要交流供电时，应采用DC/AC变换器；当负载要求直流供电时，也需要用DC/DC变换器实现燃料电池组输出电能的升压与稳压。

3.质子交换膜燃料电池在电源方面的应用

燃料电池以其能量转换效率高、对环境污染小、可靠性和维护性好等诸多优点，被誉为继水力、火力和核能之后的第四代发电装置，而PEMFC更以其独特的优势，成为适应性最广的燃料电池类型。总的来说，PEMFC的应用范围包括两方面：固定式电源（分散型电站）和移动式电源。

3.1 固定式电源（分散型电站）

PEMFC应用于大规模中心发电厂，与传统的发电技术相比，尽管在效率和环境保护方面存在一定的优势，但考虑到制造成本以及燃料方面所受到的限制， PEMFC不宜作为中心发电厂的发电装置，但我们知道，发电厂如果规模太小，就会得不偿失，而PEMFC就非常灵活，可做成任意规模，因此PEMFC作为分散型电站，其应用前景相当可观。

PEMFC分散型电站可以与电网供电系统共用，主要用于调峰；也可作为分散型主供电源，独立供电，适于用作海岛、山区、边远地区或新开发地区电站。

与集中供电方式相比，分散供电方式有较多的优点：（1）可省去电网线路及配电调度控制系统；（2）有利于热电联供（由于PEMFC电站无噪声，可以就近安装，PEMFC发电所产生的热可以进入供热系统），可使燃料总利用率高达80%以上；（3）受战争和自然灾害等的影响比较小；（4）通过天然气、煤气重整制氢，可利用现有天然气、煤气供气系统等基础设施为PEMFC提供燃料，通过生物制氢、太阳能电解制氢方法则可形成循环利用系统（这种循环系统特别适用于广大的农村和边远地区），使系统建设成本和运行成本大大降低。因此，PEMFC电站的经济性和环保性均很好。国际上普遍认为，随着燃料电池的推广应用，发展PEMFC分散型电站将是一大趋势。

3.2 移动式电源

一是用作便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、不间断电源等，适用于军事、通讯、计算机、地质、微波站、气象观测站、金融市场、医院及娱乐场所等领域，以满足野外供电、应急供电以及高可靠性、高稳定性供电的需要。

PEMFC电源的功率最小的只有几瓦，如手机电池［12］。据报道，PEMFC手机电池的连续待机时间可达1000小时，一次填充燃料的通话时间可达 100小时（摩托罗拉）。适用于笔记本电脑等便携电子设备的PEMFC电源的功率范围大致在数十瓦至数百瓦（东芝）。军用背负式通讯电源的功率大约为数百瓦级。卫星通讯车用的车载PEMFC电源的功率一般为数千瓦级。

二是可用作助动车、摩托车、汽车、火车、船舶等交通工具动力，以满足环保对车辆船舶排放的要求。

PEMFC的工作温度低，启动速度较快，功率密度较高（体积较小）。因此，很适于用作新一代交通工具动力。这是一项潜力十分巨大的应用。由于汽车是造成能源消耗和环境污染的首要原因，因此，世界各大汽车集团竞相投入巨资，研究开发电动汽车和代用燃料汽车。从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力源，PEMFC电动车被业内公认为是电动车的未来发展方向。PEMFC可以实现零排放或低排放；其输出功率密度比目前的汽油发动机输出功率密度高得多，可达1.6KW/升。

用作电动自行车、助动车和摩托车动力的PEMFC系统，其功率范围分别是300-500W、500W-2KW、2-10KW。游览车、城市工程车、小轿车等轻型车辆用的PEMFC动力系统的功率一般为10-60KW。公交车的功率则需要100-175KW。

PEMFC用作潜艇动力源时，与斯特林发动机及闭式循环柴油机相比，具有效率高、噪声低和低红外辐射等优点，对提高潜艇隐蔽性、灵活性和作战能力有重要意义。美国、加拿大、德国、澳大利亚等国海军都已经装备了以PEMFC为动力的潜艇，这种潜艇可在水下连续潜行一个月之久。

综上所述：PEMFC应用广，市场潜力大，对产业结构升级、环境保护及经济的可持续发展均有重要意义。

4. PEMFC电源系统商业化前景

质子交换膜燃料电池电源系统虽具有高效、环境友好等突出优点，但受以下因素的影响，导致其商业化的推广旅程还很艰辛。

（1） 价格局限。由于质子交换膜尚未产业化，成本较高，再加上使用贵金属——铂作催化剂，因此燃料电池的价格虽然已有所降低，但与汽油、柴油发动机相比（约50$/kW）还有较大差距。

（2） 燃料的限制。目前质子交换膜燃料电池，主要以纯氢气为燃料。由于现有的燃料供给设施的限制，氢燃料的补给是制约质子交换膜燃料电池推广的瓶颈。鉴于此各国纷纷研制、开发碳氢液体燃料的质子交换膜燃料电池。甲醇、汽油等燃料重整质子交换膜燃料电池的研究已取得可喜成果，如能在关键技术上突破，则可利用现有的燃料配给设施补给燃料，但是目前距离实际应用还有一段距离。

由此可见，质子交换膜燃料电池电源是一种高效率、低噪声的新型发电设备。在研制过程中，不仅需要性能优良、运行可靠的质子交换膜燃料电池组（堆），同时须要燃料贮存、氧化剂（空气）供给、温度调节，以及系统控制等功能单元的科学合理配置。PEMFC电源在技术上已基本成熟，其推广应用的障碍主要是价格问题。但我们只要回顾一下电子计算机从电子管到晶体管、从小规模集成电路到中大规模集成电路，最后到超大规模集成电路的几代发展史，我们不难得出推断：PEMFC电源最终将与计算机一样进入各行各业，千家万户。

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