质子交换膜燃料电池工作原理 质子交换膜燃料电池发展瓶颈

质子交换膜燃料电池反应方程式

从本质上说，PEMFC是电解水的一个「逆」装置。电解水过程是利用外加电源使水发生电解，从而产生氢和氧；然而，燃料电池则是氢和氧发生电化学反应产生水，同时生产出电的过程。

所以燃料电池的结构特征与电解水装置是如出一辙的，它主要由阳极、阴极、电解质和外部电路组成。

PEMFC中阳极为氢电极，阴极为氧电极，阴阳极都含有一定量用来加速电极上发生电化学反应的催化剂，两极之间以质子交换膜作为电解质。

当氢气与氧气分别通入阳极和阴极时，进入阳极的氢气在催化剂作用下离化成氢离子和电子；电子经外电路转移到阴极，氢离子则经质子交换膜到达阴极；阴极的氧气与氢离子及电子反应生成水分子，其中产生的水不会稀释电解质，却是随着尾气通过电极排出。

因此，PEMFC的电化学反应为：2H2 O2→2H2O

质子交换膜燃料电池的优点

1、发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的限制，能量转换率高。

2、发电时不产生污染。

3、发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便。

4、工作时没有噪音。

质子交换膜燃料电池发展瓶颈

1、成本问题

PEMFC的成本问题是多方面引起的，首先，由于其工作条件是强酸性环境，必须使用昂贵的Pt作为催化剂；其次，现今使用较多的电解质膜是性能好的商业Nafion膜，这就极大提高了PEMFC的生产成本。

2、氢源问题

PEMFC最理想的燃料是纯氢，但氢气是最轻的气体，其储存和运输不易。

3、寿命问题

目前很多实验室研究PEMFC发现可达10000h，而实际应用到汽车上时，其寿命直线缩减，使用寿命有待提高。

质子交换膜燃料电池应用前景

质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美。经过多年的基础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。由于质子交换膜燃料电池发电系统有望成为移动装备电源和重要建筑物备用电源的主要发展方向，因此有许多问题需要进行深入的研究。就备用氢能发电系统而言，除质子交换膜燃料电池单电池、电堆质量、效率和可靠性等基础研究外，其应用研究主要包括适应各种环境需要的发电机集成制造技术， 质子交换膜燃料电池发电机电气输出补偿与电力变换技术，质子交换膜燃料电池发电机并联运行与控制技术，备用氢能发电站制氢与储氢技术，适应环境要求的空气(氧气)供应技术，氢气安全监控与排放技术，氢能发电站基础自动化设备与控制系统开发，建筑物采用质子交换膜燃料电池氢能发电电热联产联供系统，以及质子交换膜燃料电池氢能发电站建设技术等等。采用质子交换膜燃料电池氢能发电将大大提高重要装备及建筑电气系统的供电可靠性，使重要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电的方式向市电与中、小型质子交换膜燃料电池发电装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电的灵活发供电系统转变，极大地提高建筑物的智能化程度、节能水平和环保效益。