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(wèn)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(duì)象，氫燃料電池作為氫能利用的有效手段，已被美國(guó)《時(shí)代》周刊評(píng)為21世紀(jì)有重要影響的十大技術(shù)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(yáng)極、陰極、電解質(zhì)，如圖1[3]。其陽(yáng)極為氫電極，陰極為氧電極。通常，陽(yáng)極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來(lái)加速電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。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(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽(yáng)極；
(2)在陽(yáng)極催化劑的作用下，1個(gè)氫分子解離為2個(gè)氫質(zhì)子，并釋放出2個(gè)電子，陽(yáng)極反應(yīng)為：
H2→2H++2e。
(3)在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過(guò)管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過(guò)外電路到達(dá)陰極的電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為：1/2O2+2H++2e→H2O
總的化學(xué)反應(yīng)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(yáng)極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負(fù)載連續(xù)地輸出電能。

3、pEMFC的特點(diǎn)及研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀
燃料電池種類較多，pEMFC以其工作溫度低、啟動(dòng)快、能量密度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)特別適宜作為便攜式電源、機(jī)動(dòng)車電源和中、小型發(fā)電系統(tǒng)。

pEMFC發(fā)電機(jī)由本體及其附屬系統(tǒng)構(gòu)成。本體結(jié)構(gòu)除上述核心單元外，還包括單體電池層疊時(shí)為防止汽、水泄漏而設(shè)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。

(1)pEMFC作為移動(dòng)式電源的應(yīng)用
pEMFC作為移動(dòng)式電源的應(yīng)用領(lǐng)域分為兩大類：一是可用作便攜式電源、小型移動(dòng)電源、車載電源等。適用于特種、通訊、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域，以滿足應(yīng)急供電和高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。實(shí)際應(yīng)用是手機(jī)電池、筆記本電腦等便攜電子設(shè)備、特種背負(fù)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(dòng)力電源，以滿足環(huán)保對(duì)車輛排放的要求。從目前發(fā)展情況看，pEMFC是技術(shù)最成熟的電動(dòng)車動(dòng)力電源。

國(guó)際上，pEMFC研究開發(fā)領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)是加拿大Ballard能源系統(tǒng)公司。美國(guó)H-power公司于1996年研制出世界上第一輛以pEMFC發(fā)電機(jī)為動(dòng)力源的大巴士[5]。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)燃料電池電動(dòng)車的研發(fā)也極為重視，被列入國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃。上海神力公司、富原燃料電池有限公司、清華大學(xué)、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(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

(2)pEMFC作為固定式電源的應(yīng)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***電源，用作海島、山區(qū)、邊遠(yuǎn)地區(qū)、或作為特種（人防）發(fā)供電系統(tǒng)電源。

采用多臺(tái)pEMFC發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)還可構(gòu)成分散式供電系統(tǒng)。分散式供電系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)：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(wú)噪聲，可就近安裝，pEMFC發(fā)電所產(chǎn)生的熱可進(jìn)入供熱系統(tǒng)），可使燃料總利用率高達(dá)80%以上；③受戰(zhàn)爭(zhēng)和自然災(zāi)害等影響比較小，尤其適宜于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條件下的主動(dòng)防護(hù)需要；④通過(guò)天燃?xì)狻⒚簹庵卣茪洌衫矛F(xiàn)有天燃?xì)狻⒚簹夤庀到y(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施為pEMFC提供燃料；通過(guò)再生能源制氫（電解水制氫、太陽(yáng)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(yuǎn)地區(qū)、人所），使系統(tǒng)建設(shè)成本和運(yùn)行成本降低。國(guó)際上普遍認(rèn)為，隨著燃料電池的推廣應(yīng)用，發(fā)展分散型電站將是一個(gè)趨勢(shì)。

(3)氫能電源的特種應(yīng)用前景
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在特種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以數(shù)字化技術(shù)為核心的新興信息技術(shù)將滲透到戰(zhàn)場(chǎng)的各個(gè)領(lǐng)域，從偵察、監(jiān)視到預(yù)警，從通信、指揮到控制，從武器裝備的自動(dòng)化、精確特種和智能化到各種電子戰(zhàn)手段，信息技術(shù)裝備已經(jīng)成為覆蓋整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)的、決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的重要因素，它不僅構(gòu)成總體特種的“神經(jīng)系統(tǒng)”，而且成為總體特種能力的“倍增器”。電源作為信息技術(shù)裝備的命脈，能否連續(xù)、可靠、安全、靈活地供電是至關(guān)重要的，它是信息技術(shù)裝備密不可分的一部分。

由于pEMFC發(fā)電機(jī)工作溫度低，紅外輻射少，無(wú)震動(dòng)，沒(méi)有噪音，因此特別適合用作為現(xiàn)代特種電源。1998年8月，美國(guó)特種部在向國(guó)會(huì)特種委員會(huì)呈遞的報(bào)告中指出：移動(dòng)電力是永久性防御設(shè)施最基本的五大要素之一；燃料電池發(fā)電技術(shù)替代常規(guī)發(fā)電裝置的迅速演變，給未來(lái)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(guò)60%）很高，操作維護(hù)極為簡(jiǎn)單，燃料電池發(fā)電機(jī)使氫能源作為主燃料的應(yīng)用極為可靠而高效。因此，把特種燃料改為氫，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，便于偽裝和隱蔽特種。

pEMFC發(fā)電機(jī)的諸多優(yōu)越性能，使其在特種航天及超級(jí)移動(dòng)設(shè)備、水下特種、特種工程、通訊工程、車輛動(dòng)力電源、特種和部（分）隊(duì)便攜電源、邊遠(yuǎn)地區(qū)、海防哨所以及人防工程中都具有極好的應(yīng)用前景。早在1960年代，美國(guó)特種航天局（NASA）就與通用電氣公司（GE）聯(lián)合開發(fā)pEMFC發(fā)電機(jī)，并多次用于雙子星座衛(wèi)星計(jì)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(jī)，其壽命在實(shí)驗(yàn)室已達(dá)57000h。后來(lái)，NASA又與Hamilton標(biāo)準(zhǔn)公司合作研制RFC（再生燃料電池）系統(tǒng)，目的是配合太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)組成用于火星探測(cè)飛行器或月球基地的動(dòng)力電源（太陽(yáng)能電解水裝置功率35kW，pEMFC發(fā)電機(jī)功率25kW）。美國(guó)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(jí)移動(dòng)裝備（EMU）應(yīng)用方面，NASA與EpSI公司合作開發(fā)采用金屬氫化物儲(chǔ)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?jī)?chǔ)存密度和一次性充能能量以及循環(huán)壽命、充能速度。

pEMFC在特種領(lǐng)域的一個(gè)重大用途是作為海軍艦艇的動(dòng)力電源。pEMFC發(fā)電機(jī)作為特種不依賴于空氣的推進(jìn)動(dòng)力（AIp）源與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和閉式循環(huán)柴油機(jī)相比，具有效率高、噪音低和紅外輻射小等優(yōu)點(diǎn)，在攜帶相同重量或體積的燃料氣時(shí)，特種續(xù)航能力最強(qiáng)（大約為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的2倍），且沒(méi)有污染，因此pEMFC是特種AIp系統(tǒng)的最佳選擇。德國(guó)從1980年（也是世界上最早）開始研究基于pEMFC發(fā)電機(jī)的特種，目前德國(guó)已能生產(chǎn)212、214型號(hào)的基于pEMFC發(fā)電機(jī)的特種。而美國(guó)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(jī)，還與Treadwell公司合作設(shè)計(jì)并制造了用于水下探測(cè)器的pEMFC電源。

pEMFC的諸多優(yōu)點(diǎn)，使其在重要的民用設(shè)施如智能大廈、醫(yī)院、賓館等以及特種（人防）領(lǐng)域都具有極好的應(yīng)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(jī)組為輔的供電方式。當(dāng)外電毀壞啟用柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，由于柴油發(fā)電機(jī)組存在煙氣排放，隱蔽性差、震動(dòng)大、噪音高、環(huán)保性能差等許多缺點(diǎn)，更不適合在未來(lái)高科技戰(zhàn)爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)環(huán)保，對(duì)民用供電和特種建設(shè)都有極為重大的意義。

4、結(jié)束語(yǔ)
氫能的利用，特別是pEMFC作為新一代發(fā)電技術(shù)，以其特有的高效率和環(huán)保性引起了全世界的關(guān)注，極具開發(fā)和利用價(jià)值。隨著pEMFC的技術(shù)不斷提高和成本逐步降低，燃料電池將逐步獲得應(yīng)用，并有力地推動(dòng)氫能技術(shù)的發(fā)展。