质子交换膜燃料电池在发动机上的关键技术及运用

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1、质子交换膜燃料电池在发动机上的关键技术及运用中南大学能源科学与工程学院寇明泽摘要：质子交换膜（PEM）燃料电池凭借其工作温度低，启动速度快，无电解液的腐蚀和流失问题，能量密度高等优点，逐渐成为新型交通工具、固定式电站、便携式电脑及移动通信设备的理想动力源。加拿大、美国、欧盟和日本等发达国家和地区在PEMFC的研究和开发方面已取得重要进展。关键词：PEMFC,发动机一引言：百余年来汽车工业的发展给人类做出了巨大贡献，汽车对社会进步的影响意义深远。但是，随着汽车数量的大量增加，汽车尾气对人类生存环境造成的危害逐渐为人们所了解和重

2、视。为实现汽车工业的可持续发展，人们一直在探索开发具有无污染、噪声低、维护简便和易操纵等优点的电动汽车。八十年代以来，许多工业化国家的有关机构和汽车厂商纷纷投入大量资金开发出多种类型的电动汽车。这其中有二次电池电动汽车、混合动力（电源）电动汽车及燃料电池电动汽车等等。近年来，质子交换膜燃料电池技术有了突破性进展，尤其是高的比功率和无需充电的特点，使其在作为电动汽车动力源应用方面极具竞争力，显示出良好的应用前景。质子交换膜燃料电池是以氢气为燃料，空气（O2）为氧化剂进行工作的。在燃料供给、运行工况控制等方面与二次电池截然不同早

3、在上世纪60年代，美国GE公司就为国家航空航天局研制了PEMFC空间电源，并将其应用于双子星座飞船。由于电池采用了聚苯乙炔磺酸膜，其稳定性、导电性均不理想，使用寿命较短。1972年，美国DuPont公司的Grot研制出新型全氟磺酸膜（Nafion系列膜材料），PEMFC性能得以大幅度提高。1983年，美国LosAlamos国家实验室（LANL）成功实现电极的立体化，使催化剂载量大大降低。1993年，加拿大Ballardpowersystems公司研制出第一台质子交换膜燃料电池汽车，标志着PEMFC技术开始向产业化、民用化的方

4、向迈进。在Ballard公司的带动下，越来越多汽车制造厂商纷纷将眼光投向了PEMFC，相继开发出以纯氢或重整气为燃料的不同特点的燃料电池汽车。1997年，Toyota公司研制出事带有甲醇重整器的RAV4型跑车，它由一个25k的燃料电池和辅助干电池一起提供了全部50km；德国奔驰公司在1998年开发出NECARIII质子交换膜燃料电池汽车，同样采用甲醇外部重整向电池供给氢气，汽车在启动2s内动力系统的能量可达到90%，其最大行程为400km；通用汽车公司最新研发的Sequel氢燃料电池车的电池发动机最双功率73kW，配备三个7

5、00bar高压储瓶储存7kg氢，一次加氢可连续行驶300mile，0~60mile·h－1加速只需10秒，该指标已与普通的内燃发动机汽车非常接近。我国早在上世纪50年代就开展了燃料电池方面的研究，主要由中国科学院长春应用化学研究所、大连化学物理所和天津电子部十八所等单位发起。90年代至今，有大批的高等院校、科研院所和高科技企业加入PEMFC的R&D行列。其中清华大学牵头承担了国家863“燃料电池城市客车”重大项目的研究开发工作；2005年，武汉理工大学与东风汽车公司合作开发出燃料电池轿车——“楚天一号”，最高时事可达100k

6、m·h-1；大连化物所在燃料电池基础研究和PEMFC汽车发动机的研制开发方面处于国内领先水平，目前该所已组建“燃料电池及氢源技术国家工程研究中心”。另外，上海神力科技有限公司、大连新源动力股份有限公司等国内少数几家企业初步实现了燃料电池产品的小批量生产。武汉理工新能源有限公司也实现了核心组件膜电极的批量生产，并应用于通信基站备用电源领域。二：PEMFC的一些介绍2.1：什么是PEMFCPEMFC即质子交换膜燃料电池(protonexchangemembranefuelcell)的英文缩写。PEMFC发电在原理上相当于水电解的

7、“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。　　两电极的反应分别为：　　阳极(负极)：2H2-4e=4H+　　阴极(正极)：O2+4e+4H+=2H2O注意所有的电子e都省略了负号上标。由于质子交换膜只能传导质子,因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位

8、为1.23V。也即每一PEMFC单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V之间。将多个PEMFC单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的PEMFC电堆。2.2PEMFC的构成及运行原理　PEMFC电堆由多个PEMFC单体电池以串联