【正文】 電源、航空航天與軍事用電源以及車輛用電源等。 21 PEMFC的原理 陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應： H2 ? 2H+ + 2e 陽極反應產生的電子經外電路到達陰極，氫離子則經電解質膜電遷移到達陰極。 總反應： 2H2 + 02 ? 2H20 (1)高效節(jié)能，實際能量轉化效率達 40％ ? 50％； (2)工作電流大 (1?4 A/cm2， )，比功率高 (? )，比能量大． (3)使用固體電解質膜，可以避免電解質腐蝕 。 (5)條件溫和，可在低溫 (? 100?C)下運行； (6)冷啟動時間短，可在數(shù)秒內實現(xiàn)冷起動； (7)環(huán)境友好，實現(xiàn)零排放 (無 S02， N02，產物為 H20)， 無噪音； (8)燃料來源廣，既可使用純氫，又可使用轉化燃料； (9)設計簡單、制造方便；體積小、重量輕，便于攜帶。 PEMPC對膜有特殊要求，用作 PEM 的材料應當具有良好的導電性，較好的化學、電化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定 性，以及足夠高的機械強度和適當?shù)膬r格。 22 質子交換膜 (PEM) 其中最為流行的是 Nafion膜 (美國 Dupont公司 )和 Dow膜 (Dow Chemical)，其分子結構如下： PEM的微觀結構：可將全氟離子膜的結構分為憎水的碳氟主鏈區(qū)、離子簇區(qū)以及此兩相間的過渡區(qū)，離子簇之間的間距一般在 5nm左右。 由于離子簇的周壁帶有負電荷的固定離子，而各離子簇之間的通道短而窄，因而對于帶負電且水合半徑較大的 0H? 離子的遷移阻力遠遠大于 H+，這也正是離子交換膜具有選擇透過性的原因。 解決這些問題的方法有兩種：一是減少全氟樹脂的用量，采用將 Nafion樹脂與其它非氟化材料結合制備復合膜；二是開發(fā)新型抗氧化性強、成本低的膜材料。 新型質子交換膜的研究進展 為了加快電化學反應速度，氣體擴散電極上都含有一定量的催化劑。 在 PEMFC中，反應區(qū)是在三相區(qū) H2/0催化劑 Pt表面和 Nafion溶液中進行的，所以 Pt只有在膜區(qū)域才起作用。如 90年代以來，加拿大 Ballard公司采用 Nafion膜，以 P/C作為電催化劑，通過對膜電極結構和制備工藝的改進，電催化劑中 Pt負載量降到? mg/cm2，取得突破性進展。 將鉑催化劑分散于不同的載體中，制成復合電極材料，是提高 Pt催化劑利用率的另一有效途徑。 由于鉑的價格昂貴，采用鉑系催化劑，使得燃料電池的廣泛應用受到限制，因此尋求 Pt以外價格較低的電催化劑是 PEMFC 電催化劑研究的一個重要方向。在可能的替代催化劑中較為引人注目的是熱解或非熱解的過渡金屬大環(huán)化合物。 擴散層的作用在于支撐催化層，收集電流，并為電化學反應提供電子通道、氣體通道和排水通道。 電極制作的好壞對電池的性能有重要影響。 這些方法各有優(yōu)缺點，但相比較而言，糊膏法是較為理想的電極制作方法，該法將 Pt/c催化劑、Nafion溶液和 NaoH溶液混合成糊膏涂在質子交換膜上，烘干后在 H2SO4溶液中質子化。 1. PEMFC的水管理 保持水平衡是提高電池性能和壽命的一項關鍵技術。 25 PEMFC的水、熱管理 Ballard公司對 PEMFC的水管理進行了深入的研究，提出了實現(xiàn)有效水管理的多種途徑： (1)膜電極和電池結構的優(yōu)化設計； (2)對 PEMFC的運行參數(shù)，如反應氣體的溫度、 電流密度進行綜合調整； (3)選擇合適的質子交換膜和碳布 (紙 )。 PEMFC的熱管理 PEMFC在燃料電池中雖屬于低溫型燃料電池，但其工作溫度仍高于環(huán)境溫度，應維持在 80?C ? 100?C 之間，否則各種極化都將增強，造成電池性能惡化。 另一方面，考慮到燃料電池的實際工作效率， PEMFC產生的能量中仍有 40％ ? 50％是以熱能形式散出的，當電池正常工作時仍需采取適當措施對電池進行冷卻。 在小電流密度條件下，采用空冷可取得較滿意的結果，然而在大功率密度工作時，由于 PEMFC與周圍環(huán)境的溫差較小，此時必須采用水冷。 PEMFC 發(fā)展中需要解決的問題 目前， PEMFC 在技術上已成熟，但價格問題是其推廣應用的主要障礙之一。 PEMFC 本身的結構并不復雜，主要是構成 PEMFC 的一些材料和制造成本還比較高及燃料氫的問題。 膜制造中要用到貴重金屬 Pt ，經過從 80 年代初到現(xiàn)在 20年的發(fā)展， Pt 的使用量已從原來的 6 mg/cm2 降低到 mg/cm2 ，而電性能反而由 400 mA/cm2 提高到 1300 mA/cm2 ，并進一步向 mg/cm2 甚至 mg/cm2 的級別發(fā)展，性價比越來越高。 a. 膜問題 PEMFC 要解決的另一關鍵問題在于大幅度降低雙極板成本、減少其體積和減輕重量上，這對 PEMFC的商業(yè)化有突出的重要意義。 b. 雙極板問題 三、固體氧化物燃料電池 (SOFC) SOFC具有能量轉換效率高、環(huán)境友好 (即很低的 NOx，SO2，粉塵和噪聲排放 )、燃料適用性強和無腐蝕等突出優(yōu)點，是一種最有前途的高效、潔凈發(fā)電技術之一，近年來受到國內外有關方面的極大關注。 SOFC的工作原理如 下 圖所示 。 （ 2）較高的電流密度和功率密度，可達 1MW/m3，對塊狀設計有可能達到 3MW/m3。 （ 4）燃料選擇性強， 可直接使用 H天然氣、煤氣、生物氣及甲醇等作為燃料，且不必使用 Pt 貴金屬作催化劑。 （ 6） 全固態(tài)元件，無腐蝕漏液。 當前 SOFC 的結構設計有 : ① 管狀 SOFC； ②平板狀 SOFC； ③整體式 SOFC； ④分段式 SOFC。 SOFC 要求固體電解質材料除了具有高氧離子電導率和低電子遷移數(shù) (te?)外，尚需有在高溫以及氧化、還原氣氛中的穩(wěn)定性；與電極材料的化學相容性和熱膨脹匹配