PEM燃料電池的工作原理

近年來印度的發(fā)電和輸電能力已得到了顯著的改善，但仍有 2.1％ 的能源缺口，并且約有 2 萬個村莊沒有納入電網(wǎng)覆蓋范圍。不僅如此，通往城鄉(xiāng)的電力供應(yīng)仍舊不穩(wěn)定。因此，柴油發(fā)電機(jī)被大范圍地應(yīng)用于分散式供電。柴油發(fā)電機(jī)（圖 1 左）雖然價格低廉，但普遍效率低下，同時會對周邊環(huán)境和居民的健康帶來潛在危害。

圖 1. 左圖：為印度的電信塔供電的柴油發(fā)電機(jī)。右圖：PEM 燃料電池。

為解決這一難題，印度國家化學(xué)實(shí)驗(yàn)室（National Chemistry Laboratory， 簡稱 NCL）聯(lián)合印度科學(xué)與工業(yè)研究理事會（Council of Scientific and Indus-trial Research，簡稱 CSIR）下屬的兩所實(shí)驗(yàn)室——中央電化學(xué)研究所（Central Electrochemical Research Institute，簡稱 CECRI）和國家物理實(shí)驗(yàn)室（National Physical Laboratory，簡稱 NPL），著手研究清潔、高效、可靠的發(fā)電技術(shù)為電信塔供電，并期望最終能夠?yàn)榻ㄖ锾峁┠茉础?/p>

質(zhì)子交換膜燃料電池（proton ex-change membrane fuel cell，簡稱 PEM 燃料電池或 PEMFC，見圖 1）是一種兼顧了成本和污染問題的理想解決方案。如今許多應(yīng)用中都能看到 PEM 燃料電池的身影，它正逐步替代傳統(tǒng)的電力技術(shù)。燃料電池的優(yōu)勢明顯：碳排量小、噪音低、燃料兼容性強(qiáng)，與其他可再生能源解決方案具有良好的互補(bǔ)性，因此適用于交通運(yùn)輸、住宅樓、辦公室以及一些工業(yè)領(lǐng)域。PEM 燃料電池系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)換效率超過 30％（柴油發(fā)電機(jī)約為 22%~25%），當(dāng)使用純氫氣發(fā)電時，排放物只有水蒸氣。

PEM 燃料電池的工作原理

PEM 燃料電池中包含一個膜電極組件（membrane electrode assembly，簡稱 MEA），由氣體擴(kuò)散層、電極和聚合物電解質(zhì)膜構(gòu)成。在 MEA 內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能。

在單個 PEM 燃料電池中，氫氣流向組件的陽極，在陽極催化劑的作用下分解為質(zhì)子和電子。電子在通過電極中的碳納米顆粒網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)至另一側(cè)的陰極之前，會先輸出電流，為設(shè)備提供電能。與此同時，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，空氣中的氧氣通過 MEA 中的氣體擴(kuò)散層（gas diffusion layer，簡稱 GDL）到達(dá)陰極（圖 2）。

圖 2. PEM 燃料電池的概念圖。氫氣進(jìn)入陽極，在陽極催化劑的活性位點(diǎn)上發(fā)生反應(yīng)， 分解成質(zhì)子和電子。電子經(jīng)過有負(fù)載的外電路傳導(dǎo)到陰極，質(zhì)子穿過質(zhì)子交換膜中的電解質(zhì)遷移到陰極。PEM 由可傳導(dǎo)質(zhì)子但不傳導(dǎo)電子的固體聚合物制成。圖注： Recycling – 循環(huán)； Heat – 熱； Fuel – 燃料； Anode – 陽極； Cathode – 陰極； O2 from Air – 空氣中的氧氣；Air and Water Vapor – 空氣和水蒸汽；Hydrogen – 氫；Oxygen – 氧；Proton –質(zhì)子；Electron – 電子；Gas Diffusion Layer – 氣體擴(kuò)散層；Catalyst – 催化劑； Proton Exchange Membrane – 質(zhì)子交換膜

在陰極催化劑的活性位點(diǎn)上，質(zhì)子與氧氣及電子反應(yīng)生成水；副產(chǎn)物只有水和熱量。多個單體電池相互串聯(lián)，便組成了 PEM 燃料電池堆（圖 3）。

圖 3. PEM 燃料電池堆的示例，它包含多層重復(fù)單元。圖注：ElectroPhen Biopolar Plate – 雙極板；Membrane Electrode Assembly – 膜電極組件；Gas Flow Channels – 氣體流道；Repeat Unit – 重復(fù)單元

燃料電池的輸出功率和效率取決于多種因素，其中包括：陽極和陰極活性層的催化活性、電極將氣體擴(kuò)散電極中的液態(tài)水輸送至外部的能力、碳網(wǎng)絡(luò)的電導(dǎo)率和孔隙率、反應(yīng)氣體流向催化劑的傳輸過程、PEM 的質(zhì)子電導(dǎo)率以及雙極板的電導(dǎo)率。

尋找最高效的配置

為印度的電信塔選擇 PEM 燃料電池的關(guān)鍵在于找到轉(zhuǎn)化效率最高的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。眾所周知，對一個設(shè)計(jì)因素進(jìn)行優(yōu)化時，可能會降低另一個因素的效率。舉例來說，增加氣體擴(kuò)散層的孔隙率更有利于氫氣和空氣自由地進(jìn)入、水分自由地離開，但可能會降低電導(dǎo)率。

由 NCL 項(xiàng)目的首席科學(xué)家 Ashish Lele 博士領(lǐng)銜的專業(yè)團(tuán)隊(duì)針對不同的配置進(jìn)行了模擬和分析，力求為印度電信塔使用的 PEM 燃料電池尋找最優(yōu)性能組合。他表示：“我們希望進(jìn)一步了解碳電極中發(fā)生的反應(yīng)，研究電極中的反應(yīng)氣體和質(zhì)子的傳輸過程如何影響總反應(yīng)速率。我們的最終目標(biāo)是了解各類不同參數(shù)對 PEM 燃料電池整體性能的影響，這些參數(shù)包括工作條件、流場的幾何形狀和 MEA 結(jié)構(gòu)等?！?/p>

Lele 和他的團(tuán)隊(duì)模擬了反應(yīng)氣體的對流、催化劑層中的伴隨反應(yīng)，以及質(zhì)子在 PEM 燃料電池中的傳導(dǎo)過程。在模擬過程中，他們使用了 COMSOL Multiphysics? 軟件的化學(xué)反應(yīng)建模和電化學(xué)阻抗譜（EIS）仿真功能。EIS 方法通過測量阻抗和頻率響應(yīng)來表征電化學(xué)系統(tǒng)。下一頁中的短文簡要介紹了COMSOL? 軟件的 EIS 仿真功能。

“COMSOL 軟件出色的功能讓我們能同時兼顧質(zhì)量平衡、動量平衡、物質(zhì)平衡和電荷平衡?！彼忉屨f，“我們對不同參數(shù)進(jìn)行了靈敏度分析，例如流場形狀等設(shè)計(jì)參數(shù)、背壓和化學(xué)當(dāng)量等操作參數(shù)，以及離聚物-碳比等結(jié)構(gòu)參數(shù)， 從而確定了各個參數(shù)對 PEM 燃料電池性能產(chǎn)生的影響。”在 COMSOL 軟件的幫助下，他們能夠深入理解上述變量對 PEM 燃料電池總功率輸出的影響。

圖 4 展示了化學(xué)當(dāng)量（即反應(yīng)氣體的實(shí)際流入量和產(chǎn)生給定電量所需的反應(yīng)氣體量之間的比率）在平行流場條件下帶來的影響。

圖 4. 繪圖顯示了不同空氣化學(xué)當(dāng)量對應(yīng)的燃料電池產(chǎn)生的電流密度。當(dāng)空氣- 燃料比為 5 時，電流輸出不僅更大，而且更加統(tǒng)一。圖注：Air Stoichiometry – 空氣的化學(xué)當(dāng)量

Lele 團(tuán)隊(duì)研究了不同的流場類型， 隨后從中選定了效率最高的流道形狀和布局。“我們分析了四種常見的流場類型：平行、蛇形、針狀和叉指形?！彼忉屨f，“COMSOL 的分析結(jié)果表明，最后一類（叉指形）流場具有特定的優(yōu)勢， 更適合應(yīng)用于高溫 PEM 燃料電池?！?/p>

通過比較不同流動形狀下的電流密度，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證實(shí)了叉指形流場是最佳選擇（圖 5）。具體來說，叉指形流場中的反應(yīng)速率較快的原因在于電極和 GDL 中由壓力差驅(qū)動的對流質(zhì)量傳遞， 而此類質(zhì)量傳遞是其他三種流動類型所不具備的。叉指形流場中的反應(yīng)速率越快，反應(yīng)效率就越高，氫氣和氧氣的消耗量也隨之增加。壓力曲線（圖 5）清晰地顯示了兩個連續(xù)通道間的壓降與 GDL 內(nèi)產(chǎn)生對流之間的關(guān)系。

圖 5. 左圖：比較叉指形流場和平行流場設(shè)計(jì)中的燃料電池產(chǎn)生的平均電流密度與空氣化學(xué)當(dāng)量之間的函數(shù)關(guān)系。右圖：叉指形流場設(shè)計(jì)中微流道的內(nèi)部流體壓力

邁向綠色燃料之路

通過使用 COMSOL 對 PEM 燃料電池的配置進(jìn)行分析，研究團(tuán)隊(duì)找到了最佳的流動模式、碳纖維層和氣體輸入水平，從而最大限度地提高了功率輸出。Lele 總結(jié)道：“在 COMSOL 的幫助下，我們研究了所有相關(guān)變量對最終輸出的影響。在運(yùn)行了靈敏度分析后，就能夠找出關(guān)鍵變量。”

NCL 研究人員的下一步計(jì)劃是將該技術(shù)進(jìn)行授權(quán)推廣，并將 PEM 燃料電池進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。他們非常期待能為印度電信塔提供更清潔、更可靠的能源服務(wù)。他們希望此項(xiàng)成果能為房屋建筑和交通網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定地提供綠色能源，推動整個國家邁向綠色燃料之路。