氫能與質(zhì)子交換膜燃料電池
1 序言
??? 為解決能源短缺、環(huán)境污染等問題，開發(fā)清潔、高效的新能源和可再生能源已十分緊迫。氫能因燃燒熱值高、污染小、資源豐富成為新能源的對象，氫燃料電池作為氫能利用的有效手段，已被美國《時代》周刊評為 21 世紀有重要影響的十大技術之一。
2 氫燃料電池工作原理
??? 燃料電池本質(zhì)是水電解的“逆”裝置，主要由3 部分組成，即陽極、陰極、電解質(zhì)，如圖 1[3]。其陽極為氫電極，陰極為氧電極。通常，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來加速電極上發(fā)生的電化學反應。兩極之間是電解質(zhì)。
??? 以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）為例，其工作原理如下：
(1) 氫氣通過管道或?qū)獍宓竭_陽極；
(2) 在陽極催化劑的作用下，1 個氫分子解離為 2 個氫質(zhì)子，并釋放出 2 個電子，陽極反應為：
???? H2→2H++2e。
(3) 在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或?qū)獍宓竭_陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達陰極的電子發(fā)生反應生成水，陰極反應為：1/2O2+2H++2e→H2O
??? 總的化學反應為：H2+1/2O2＝H2O
??? 電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負載連續(xù)地輸出電能。
3 PEMFC 的特點及研發(fā)應用現(xiàn)狀
??? 燃料電池種類較多，PEMFC 以其工作溫度低、啟動快、能量密度高、壽命長等優(yōu)點特別適宜作為便攜式電源、機動車電源和中、小型發(fā)電系統(tǒng)。
??? PEMFC 發(fā)電機由本體及其附屬系統(tǒng)構成。本體結構除上述核心單元外，還包括單體電池層疊時為防止汽、水泄漏而設置的密封件，以及壓緊各單體電池所需的緊固件等。附屬系統(tǒng)包括：燃料及氧化劑貯存及其循環(huán)單元，電池濕度、溫度調(diào)節(jié)單元，功率變換單元及系統(tǒng)控制單元。圖 2 是一個典型的PEMFC 發(fā)電系統(tǒng)示意圖[4]。
(1) PEMFC 作為移動式電源的應用
??? PEMFC 作為移動式電源的應用領域分為兩大類：一是可用作便攜式電源、小型移動電源、車載電源等。適用于軍事、通訊、計算機等領域，以滿足應急供電和高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。實際應用是手機電池、筆記本電腦等便攜電子設備、軍用背負式通訊電源、衛(wèi)星通訊車載電源等。二是用作自行車、摩托車、汽車等交通工具的動力電源，以滿足環(huán)保對車輛排放的要求。從目前發(fā)展情況看，PEMFC 是技術最成熟的電動車動力電源。
??? 國際上，PEMFC 研究開發(fā)領域的權威機構是加拿大 Ballard 能源系統(tǒng)公司。美國 H-Power 公司于 1996 年研制出世界上第一輛以 PEMFC 發(fā)電機為動力源的大巴士[5]。近年來，我國對燃料電池電動車的研發(fā)也極為重視，被列入國家重點科技攻關計劃。上海神力公司、富原燃料電池有限公司、清華大學、中科院大連化物所已分別研制出游覽觀光車、中巴車樣車，其性能接近或達到國際先進水平。
(2) PEMFC 作為固定式電源的應用
??? PEMFC 除適用于作為交通電源外，也非常適合用于固定式電源。既可與電網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)，用于調(diào)峰；也可作為獨立電源，用作海島、山區(qū)、邊遠地區(qū)、或作為國防（人防）發(fā)供電系統(tǒng)電源。
??? 采用多臺 PEMFC 發(fā)電機聯(lián)網(wǎng)還可構成分散式供電系統(tǒng)。分散式供電系統(tǒng)有很多優(yōu)點：① 可省去電網(wǎng)線路及配電調(diào)度控制系統(tǒng)；② 有利于熱電聯(lián)供（由于 PEMFC 電站無噪聲，可就近安裝，PEMFC 發(fā)電所產(chǎn)生的熱可進入供熱系統(tǒng)），可使燃料總利用率高達 80%以上；③ 受戰(zhàn)爭和自然災害等影響比較小，尤其適宜于現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下的主動防護需要；④ 通過天燃氣、煤氣重整制氫，可利用 現(xiàn) 有 天 燃 氣 、 煤 氣 供 氣 系 統(tǒng) 等 基 礎 設 施 為PEMFC 提供燃料；通過再生能源制氫（電解水制氫、太陽能電解制氫、生物制氫）則可形成循環(huán)利用系統(tǒng)（這種循環(huán)系統(tǒng)特別適用于邊遠地區(qū)、人所），使系統(tǒng)建設成本和運行成本降低。國際上普遍認為，隨著燃料電池的推廣應用，發(fā)展分散型電站將是一個趨勢。
(3) 氫能電源的軍事應用前景
??? 隨著現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展及其在軍事領域的廣泛應用，以數(shù)字化技術為核心的新興信息技術將滲透到戰(zhàn)場的各個領域，從偵察、監(jiān)視到預警，從通信、指揮到控制，從武器裝備的自動化、精確制導和智能化到各種電子戰(zhàn)手段，信息技術裝備已經(jīng)成為覆蓋整個戰(zhàn)場的、決定戰(zhàn)爭勝負的重要因素，它不僅構成總體作戰(zhàn)的“神經(jīng)系統(tǒng)”，而且成為總體作戰(zhàn)能力的“倍增器”。電源作為信息技術裝備的命脈，能否連續(xù)、可靠、安全、靈活地供電是至關重要的，它是信息技術裝備密不可分的一部分。
??? 由于 PEMFC 發(fā)電機工作溫度低，紅外輻射少，無震動，沒有噪音，因此特別適合用作為現(xiàn)代軍用電源。1998 年 8 月，美國國防部在向國會國防委員會呈遞的報告中指出：移動電力是永久性防御設施最基本的五大要素之一；燃料電池發(fā)電技術替代常規(guī)發(fā)電裝置的迅速演變，給未來發(fā)電系統(tǒng)采用氫氣作為主燃料開辟了道路；由于能量轉(zhuǎn)換效率（超過60%）很高，操作維護極為簡單，燃料電池發(fā)電機使氫能源作為主燃料的應用極為可靠而高效。因此，把作戰(zhàn)燃料改為氫，將獲得更加高效可靠的發(fā)電系統(tǒng)、更低的排放、更低的噪音、極大地減小熱輻射和紅外成像，便于偽裝和隱蔽作戰(zhàn)。
??? PEMFC 發(fā)電機的諸多優(yōu)越性能，使其在航空航天及超級移動設備、水下潛艇、軍事工程、通訊工程、車輛動力電源、單兵和部（分）隊便攜電源、邊遠地區(qū)、海防哨所以及人防工程中都具有極好的應用前景。早在 1960 年代，美國航空航天局（NASA）就與通用電氣公司（GE）聯(lián)合開發(fā) PEMFC發(fā)電機，并多次用于雙子星座衛(wèi)星計劃的飛行，特別是 1968 年采用 Nafion 膜后在發(fā)射的生物衛(wèi)星上使用PEMFC 發(fā)電機，其壽命在實驗室已達57000h。后來，NASA 又與Hamilton 標準公司合作研制 RFC（再生燃料電池）系統(tǒng)，目的是配合太陽能發(fā)電系統(tǒng)組成用于火星探測飛行器或月球基地的動力電源（太陽能電解水裝置功率 35kW，PEMFC發(fā)電機功率 25kW）。美國空軍也與Treadwell 公司簽訂協(xié)議研究用于衛(wèi)星的 RFC 系統(tǒng)（PEMFC 功率12kW，電壓 28V）。
??? 在超級移動裝備（EMU）應用方面，NASA 與EPSI 公司合作開發(fā)采用金屬氫化物儲氫的 200Wh和 1500Wh 能量的 PEMFC 系統(tǒng)，以替代現(xiàn)有裝備中采用的可充電電池，可有效提高能量儲存密度和一次性充能能量以及循環(huán)壽命、充能速度。
??? PEMFC 在軍事領域的一個重大用途是作為海軍艦艇的動力電源。PEMFC 發(fā)電機作為潛艇不依賴于空氣的推進動力（AIP）源與斯特林發(fā)動機和閉式循環(huán)柴油機相比，具有效率高、噪音低和紅外輻射小等優(yōu)點，在攜帶相同重量或體積的燃料氣時，潛艇續(xù)航能力最強（大約為斯特林發(fā)動機的 2倍），且沒有污染，因此 PEMFC 是潛艇 AIP 系統(tǒng)的最佳選擇。德國從 1980 年（也是世界上最早）開始研究基于 PEMFC 發(fā)電機的潛艇，目前德國已能生產(chǎn) 212、214 型號的基于PEMFC 發(fā)電機的潛艇。而美國海軍與 AP 公司合作開始研制以柴油重整制氫為氫源的 PEMFC 發(fā)電機，還與 Treadwell 公司合作設計并制造了用于水下探測器的 PEMFC 電源。
??? PEMFC 的諸多優(yōu)點，使其在重要的民用設施如智能大廈、醫(yī)院、賓館等以及國防（人防）領域都具有極好的應用前景。目前這些地方的供電系統(tǒng)均采用以外電為主、柴油發(fā)電機組為輔的供電方式。當外電毀壞啟用柴油發(fā)電機組時，由于柴油發(fā)電機組存在煙氣排放，隱蔽性差、震動大、噪音高、環(huán)保性能差等許多缺點，更不適合在未來高科技戰(zhàn)爭中使用。因此，研究基于 PEMFC 的發(fā)電系統(tǒng)可有效利用氫能實現(xiàn)環(huán)保，對民用供電和國防建設都有極為重大的意義。
4 結束語
??? 氫能的利用，特別是 PEMFC 作為新一代發(fā)電技術，以其特有的高效率和環(huán)保性引起了全世界的關注，極具開發(fā)和利用價值。隨著 PEMFC 的技術不斷提高和成本逐步降低，燃料電池將逐步獲得應用，并有力地推動氫能技術的發(fā)展。