質(zhì)子交換膜燃料電池在發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵技術(shù)及運(yùn)用中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院寇明澤摘要：質(zhì)子交換膜〔PEM〕燃料電池憑借其工作溫度低，啟動(dòng)速度快，無電解液的腐蝕和流失問題，能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為新型交通工具、固定式電站、便攜式電腦及移動(dòng)通信設(shè)備的理想動(dòng)力源。加拿大、美國、歐盟和日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在PEMFC的研究和開發(fā)方面已取得重要進(jìn)展。關(guān)鍵詞：PEMFC，發(fā)動(dòng)機(jī)一引言：百余年來汽車工業(yè)的發(fā)展給人類做出了巨大奉獻(xiàn)，汽車對社會(huì)進(jìn)步的影響意義深遠(yuǎn)。但是，隨著汽車數(shù)量的大量增加，汽車尾氣對人類生存環(huán)境造成的危害逐漸為人們所了解和重視。為實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，人們一直在探索開發(fā)具有無污染、噪聲低、維護(hù)簡便和易操縱等優(yōu)點(diǎn)的電動(dòng)汽車。八十年代以來，許多工業(yè)化國家的有關(guān)機(jī)構(gòu)和汽車廠商紛紛投入大量資金開發(fā)出多種類型的電動(dòng)汽車。這其中有二次電池電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力〔電源〕電動(dòng)汽車及燃料電池電動(dòng)汽車等等。近年來，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)有了突破性進(jìn)展，尤其是高的比功率和無需充電的特點(diǎn)，使其在作為電動(dòng)汽車動(dòng)力源應(yīng)用方面極具競爭力，顯示出良好的應(yīng)用前景。質(zhì)子交換膜燃料電池是以氫氣為燃料，空氣〔02〕為氧化劑進(jìn)行工作的。在燃料供給、運(yùn)行工況控制等方面與二次電池截然不同早在上世紀(jì)60年代，美國GE公司就為國家航空航天局研制了PEMFC空間電源，并將其應(yīng)用于雙子星座飛船。由于電池采用了聚苯乙炔磺酸膜，其穩(wěn)定性、導(dǎo)電性均不理想，使用壽命較短。1972年，美國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，美國LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室〔LANL〕成功實(shí)現(xiàn)電極的立體化，使催化劑載量大大降低。1993年,加拿大Ballardpowersystems公司研制出第一臺質(zhì)子交換膜燃料電池汽車，標(biāo)志著PEMFC技術(shù)開始向產(chǎn)業(yè)化、民用化的方向邁進(jìn)。在Ballard公司的帶動(dòng)下，越來越多汽車制造廠商紛紛將眼光投向了PEMFC，相繼開發(fā)出以純氫或重整氣為燃料的不同特點(diǎn)的燃料電池汽車。1997年,Toyota公司研制出事帶有甲醇重整器的RAV4型跑車，它由一個(gè)25k的燃料電池和輔助干電池一起提供了全部50km；德國奔馳公司在1998年開發(fā)出NECARIII質(zhì)子交換膜燃料電池汽車，同樣采用甲醇外部重整向電池供給氫氣，汽車在啟動(dòng)2s內(nèi)動(dòng)力系統(tǒng)的能量可到達(dá)90%,其最大行程為400km；通用汽車公司最新研發(fā)的Sequel氫燃料電池車的電池發(fā)動(dòng)機(jī)最雙功率73kW，配備三個(gè)700bar高壓儲(chǔ)瓶儲(chǔ)存7kg氫，一次加氫可連續(xù)行駛300mile,0~60mile?h—1加速只需10秒，該指標(biāo)已與普通的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽車非常接近。我國早在上世紀(jì)50年代就開展了燃料電池方面的研究，主要由中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所、大連化學(xué)物理所和天津電子部十八所等單位發(fā)起。90年代至今，有大批的高等院校、科研院所和高科技企業(yè)加入PEMFC的R&D行列。其中清華大學(xué)牽頭承擔(dān)了國家863“燃料電池城市客車”重大項(xiàng)目的研究開發(fā)工作；2005年，武漢理工大學(xué)與東風(fēng)汽車公司合作開發(fā)出燃料電池轎車 "楚天一號”，最高時(shí)事可達(dá)100km?h-1；大連化物所在燃料電池基礎(chǔ)研究和PEMFC汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的研制開發(fā)方面處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，目前該所已組建“燃料電池及氫源技術(shù)國家工程研究中心”。另外，上海神力科技、大連新源動(dòng)力股份等國內(nèi)少數(shù)幾家企業(yè)初步實(shí)現(xiàn)了燃料電池產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)。武漢理工新能源也實(shí)現(xiàn)了核心組件膜電極的批量生產(chǎn)，并應(yīng)用于通信基站備用電源領(lǐng)域。二：PEMFC的一些介紹2.1：什么是PEMFCPEMFC即質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell）的英文縮寫。PEMFC發(fā)電在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑復(fù)原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時(shí)相當(dāng)于一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。兩電極的反應(yīng)分別為：陽極（負(fù)極）：2H2-4e=4H+陰極（正極）：O2+4e+4H+=2H2O注意所有的電子e都省略了負(fù)號上標(biāo)。由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過外電路才能到達(dá)陰極。當(dāng)電子通過外電路流向陰極時(shí)就產(chǎn)生了直流電。以陽極為參考時(shí)，陰極電位為1.23V。也即每一PEMFC單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負(fù)載時(shí)輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5?1V之間。將多個(gè)PEMFC單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實(shí)際負(fù)載需要的PEMFC電堆。PEMFC電堆由多個(gè)PEMFC單體電池以串聯(lián)方式層疊組合而成。將雙極板與膜電極三合一組件（MEA）交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成PEMFC電堆，如附圖所示。疊合壓緊時(shí)應(yīng)確保氣體主通道對正以便H2和02能順利通達(dá)每一單電池。電堆工作時(shí)，H2和02分別由進(jìn)口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。PEMFC電堆的核心是MEA組件和雙極板。MEA是將兩張噴涂有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置于經(jīng)預(yù)處理的質(zhì)子交換膜兩側(cè)，使催化劑靠近質(zhì)子交換膜，在一定溫度和壓力下模壓制成。雙極板常用石墨板材料制作，具有高密度、高強(qiáng)度，無穿孔性漏氣，在高壓強(qiáng)下無變形，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)良，與電極相容性好等特點(diǎn)。常用石墨雙極板厚度約2?3.7mm,經(jīng)銑床加工成具有一定形狀的導(dǎo)流流體槽及流體通道，其流道設(shè)計(jì)和加工工藝與電池性能密切相關(guān)。通常，PEMFC的運(yùn)行需要一系列輔助設(shè)備與之共同構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)。PEMFC發(fā)電系統(tǒng)由電堆、氫氧供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、電能變換系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等構(gòu)成。電堆是PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的核心，PEMFC發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)氣體H2和O2分別通過調(diào)壓閥、加濕器（加濕、升溫）后進(jìn)入電堆，發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生直流電，經(jīng)穩(wěn)壓、變換后供給負(fù)載。電堆工作時(shí)，H2和O2反應(yīng)產(chǎn)生的水由陰極過量的氧氣（空氣）流帶出。未反應(yīng)的（過量的）H2和O2流出電堆后，經(jīng)汽水別離器除水，可經(jīng)過循環(huán)泵重新進(jìn)入電堆循環(huán)使用，在開放空間也可以直接排放到空氣中。2.3：PEMFC的水、熱管理和存儲(chǔ)裝置水、熱管理是PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一。電堆運(yùn)行時(shí)，質(zhì)子交換膜需要保持一定的濕度，反應(yīng)生成的水需要排除。不同形態(tài)的水的遷移、傳輸、生成、凝結(jié)對電堆的穩(wěn)定運(yùn)行都有很大影響，這就產(chǎn)生了PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的水、熱管理問題。通常情況下，電堆均需使用復(fù)雜的純水增濕輔助系統(tǒng)用于增濕質(zhì)子交換膜，以免電極“干死”（質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)質(zhì)子能力下降，甚至損壞）；同時(shí)又必須及時(shí)將生成的水排出，以防電極'淹死”。由于PEMFC的運(yùn)行溫度一般在80°C左右，此時(shí)PEMFC的運(yùn)行效能最好，因此反應(yīng)氣體進(jìn)入電堆前需要預(yù)加熱，這一過程通常與氣體的加濕過程同時(shí)進(jìn)行；電堆發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱量將使電堆溫度升高，必須采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施，以保持PEMFC電堆工作溫度穩(wěn)定。這些通常用熱交換器與純水增濕裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，并用電腦進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。為了確保PEMFC電堆的正常工作，通常將電堆、H2和O2處理系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電一體化集成，構(gòu)成PEMFC發(fā)電機(jī)。根據(jù)不同負(fù)載和環(huán)境條件，配置H2和02存儲(chǔ)系統(tǒng)、余熱處理系統(tǒng)和電力變換系統(tǒng)，并進(jìn)行機(jī)電一體化集成就可構(gòu)成PEMFC發(fā)電站。通常，PEMFC發(fā)電站由PEMFC發(fā)電機(jī)和氫氣生產(chǎn)與儲(chǔ)存裝置、空氣供給保障系統(tǒng)、氫氣安全監(jiān)控與排放裝置、冷卻水罐和余熱處理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及電站自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成。氫氣存儲(chǔ)裝置為發(fā)電機(jī)提供氫氣，其儲(chǔ)量按負(fù)荷所需發(fā)電量確定。氫氣存儲(chǔ)方式有氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和固態(tài)儲(chǔ)氫，相應(yīng)的儲(chǔ)氫材料也有多種，主要按電站所處環(huán)境條件及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來決定。氫氣存儲(chǔ)是建設(shè)PEMFC發(fā)電站的關(guān)鍵問題之一，儲(chǔ)氫方式、儲(chǔ)氫材料選擇關(guān)系整個(gè)電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性?？諝夤┙o保障系統(tǒng)對地面開放空間的PEMFC應(yīng)用(如PEMFC電動(dòng)車)不成問題，但對地下工程或封閉空間的應(yīng)用來說卻是一個(gè)十分重要的問題，如何設(shè)置進(jìn)氣通道必須進(jìn)行嚴(yán)格的論證。氫氣安全監(jiān)控與排放裝置是氫能發(fā)電站的一個(gè)特有問題，由于氫氣是最輕的易燃易爆氣體，氫氣儲(chǔ)存裝置、輸送管道、閥門管件、PEMFC電堆以及電堆運(yùn)行的定時(shí)排空都可能引起氫氣泄漏，為防止電站空間集聚氫氣的濃度超過爆炸極限，必須實(shí)時(shí)檢測、報(bào)警并進(jìn)行排放消除處理。氫氣安全監(jiān)控與排放消除裝置由氫氣敏感傳感器、監(jiān)控報(bào)警器及排放風(fēng)機(jī)、管道和消氫器等組成，傳感器必須安裝在電站空間的最高處。冷卻水箱或余熱處理系統(tǒng)是吸收或處理PEMFC發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，保障電站環(huán)境不超溫。將PEMFC發(fā)電站的余熱進(jìn)行再利用，如用于工程除濕、空調(diào)、采暖或洗消等，實(shí)現(xiàn)電熱聯(lián)產(chǎn)聯(lián)供，可大大提高燃料利用效率，具有極好的發(fā)展與應(yīng)用前景。電氣系統(tǒng)根據(jù)工程整體供電方式和結(jié)構(gòu)對PEMFC發(fā)電機(jī)發(fā)出電力進(jìn)行處理后與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行或/和直接向負(fù)載供電，涉及潮流、開關(guān)設(shè)備、表盤和繼電保護(hù)等。采用PEMFC發(fā)電站可以實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)急電網(wǎng)的多電源分布式供電方式，因此其電氣及變配電系統(tǒng)是一個(gè)值得深入研究的問題。電站自動(dòng)化系統(tǒng)是為保障PEMFC發(fā)電站正常工作、可靠運(yùn)行而設(shè)置的基于電腦參數(shù)檢測與協(xié)調(diào)控制的自動(dòng)裝置，一般應(yīng)采用分布式控制系統(tǒng)(DCS)或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。主要設(shè)備包括現(xiàn)場智能儀表或傳感器、變送器，通訊總線和控制器，并提供向工程控制中心聯(lián)網(wǎng)通訊的接口。主要功能包括參數(shù)檢測、顯示、報(bào)警，歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，故障診斷，事故追憶，操作指導(dǎo)，控制保護(hù)輸出和數(shù)據(jù)信息管理等，是PEMFC電站信息化、智能化的核心。三：質(zhì)子交換膜燃料電池在發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵技術(shù)及運(yùn)用3.1：燃料電池電汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的含義根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，發(fā)動(dòng)機(jī)總成是一個(gè)能獨(dú)立產(chǎn)生機(jī)械功率和扭矩，并可推動(dòng)汽車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力綜合體的總稱。以此類推，燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)總成應(yīng)包括兩大部分：將燃料轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿娜剂想姵亟M及其輔助系統(tǒng)，簡稱：“動(dòng)力源”和將電能轉(zhuǎn)換為扭矩的功率變換器與電動(dòng)機(jī)，簡稱“動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”。燃料電池電動(dòng)汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括：燃料處理與供給單元、燃料電池組及其運(yùn)行支持系統(tǒng)與附屬設(shè)備、功率控制器、變頻調(diào)速器、電動(dòng)機(jī)與減速器等〔見圖1〕。3.2：PEMFC動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容起動(dòng)性能試驗(yàn)：燃料電池電動(dòng)汽車與內(nèi)然機(jī)汽車起動(dòng)性能試驗(yàn)內(nèi)容不同。通過此項(xiàng)試驗(yàn)，檢查電動(dòng)汽車燃料電池動(dòng)力源在空載、負(fù)載、常溫和低溫等不同條件下的起動(dòng)性能。再生制動(dòng)試驗(yàn)：電動(dòng)汽車采用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或直流電機(jī)時(shí)，都存在著再生制動(dòng)狀態(tài)，合理運(yùn)用電機(jī)的再生制動(dòng)功能可節(jié)省能量。因此，當(dāng)燃料電池電動(dòng)汽車備有二次電池時(shí)，可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)的再生〔發(fā)電〕制動(dòng)試驗(yàn)。熱平衡試驗(yàn)：在燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，燃料電池組、功率驅(qū)動(dòng)器、壓氣機(jī)等屬于發(fā)熱部件，運(yùn)行時(shí)需要冷卻。金屬貯氫器、空氣預(yù)熱器等部件，運(yùn)行時(shí)需要熱量。因此，在燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，設(shè)置了假設(shè)干熱交換器。為了節(jié)省能量，提高系統(tǒng)效率，必須對動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的熱平衡設(shè)計(jì)。為了檢驗(yàn)和改良系統(tǒng)的熱交換性能，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)中，需進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)。效率試驗(yàn)：燃料電池電動(dòng)汽車與內(nèi)然機(jī)汽車效率試驗(yàn)內(nèi)容不同。電動(dòng)汽車效率試驗(yàn)包括系統(tǒng)效率試驗(yàn)和部件效率試驗(yàn)。目的是測定燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的燃料使用率及能量利用率。對功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，是測定部件的電能傳遞及轉(zhuǎn)換效率。動(dòng)力源功率響應(yīng)試驗(yàn)：燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于汽車運(yùn)行狀態(tài)與環(huán)境的變化，要求動(dòng)力源一燃料電池組的輸出功率也應(yīng)隨之改變。動(dòng)力源功率響應(yīng)試驗(yàn)就是測定燃料電池系統(tǒng)輸出功率對負(fù)載快速變化的響應(yīng)能力。單電池均勻性試驗(yàn)：燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力源一燃料電池組是由許多單電池串聯(lián)而成。為保證全部單電池性能的一致性，必須對電池組進(jìn)行單電池均勻性試驗(yàn)。保護(hù)試驗(yàn)：燃料電池電動(dòng)汽車使用氫能，功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又屬于大功率電力電子裝置?；谏鲜鲈?，燃料電池電動(dòng)汽車的保護(hù)試驗(yàn)特別重要。保護(hù)試驗(yàn)的主要方面是，燃料電池組的安全運(yùn)行和功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的短路與過載。質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺為完成PEMFC電動(dòng)汽車統(tǒng)的試驗(yàn)內(nèi)容，該試驗(yàn)臺應(yīng)具備如下功能單元：燃料儲(chǔ)存與供給單元功能：可長時(shí)間提供燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)所需要的，具有一定壓力和流量的燃料，如甲醇，氫氣等。控制與保護(hù)單元功能：可實(shí)現(xiàn)對燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各種運(yùn)行工況的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制。對試驗(yàn)過程中燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，具有報(bào)警、降載及緊急停機(jī)功能。測量與參數(shù)顯示單元功能：具有巡回檢測燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所有性能參量的能力。對被測量的數(shù)值具有存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、顯示及硬拷貝輸出功能。電力電子負(fù)載功能：電力電子負(fù)載是一個(gè)智能型的可編程耗能負(fù)載。它可以將燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的扭矩轉(zhuǎn)換成電能耗掉。此外，通過輸入汽車行駛方程，電力電子負(fù)載可模擬電動(dòng)汽車在路面行駛時(shí)的受力狀況。因此，通過臺架試驗(yàn)可評估和預(yù)測被試燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)裝車后的實(shí)際效能。發(fā)動(dòng)機(jī)升降臺功能：便于安放和移動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)－燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并備有標(biāo)準(zhǔn)的氣、水、電及測控系統(tǒng)的輸出、輸入接口。上述各功能單元在中央微處理器的管理下，可實(shí)現(xiàn)燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)的自動(dòng)化。四：需要克服的技術(shù)難題4.1：催化劑與電解質(zhì)的高成本據(jù)估算，目前，PEMFC電池堆的成本約為600US$?kW-i，其制造成本主要集中在催化劑與電解質(zhì)等關(guān)鍵材料上。降低催化劑成本主要有兩種途徑：一是降低陰陽兩極的Pt裁量。美國LosAlamos國家實(shí)驗(yàn)室〔LANL〕最早開展這方面研究，目前其研制的膜電極的Pt裁量已降至0.1mg?cm2以下；F.R.Reinoso發(fā)現(xiàn)將Pt沉積到高分散性的炭黑上，不但可以降低催化劑中貴金屬用量，還可以提高催化劑利用率；二是研制新型的非鉑催化劑。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，含有四個(gè)氮原子的中心含過渡金屬的大環(huán)化合物很有希望取代鉑作為H2/O2燃料電池催化劑；Faubert等研制的附著在炭黑上的Fe基催化劑，已經(jīng)被用作PEMFC氧復(fù)原反應(yīng)催化劑其活性可以在300h內(nèi)保持不變；S.Y.Ye等合成的納米級碳化鐵、鉆氣凝膠在酸性溶液中表現(xiàn)出良好的氧復(fù)原催化活性。目前在PEMFC中使用的質(zhì)子交換膜，主要采用全氟化取合物材料合成。其代表產(chǎn)品是DuPont公司生產(chǎn)的Nafion膜。該材料穩(wěn)定性好、使用壽命長，但其制造成本過高，售價(jià)昂貴〔約為600~800US$m2〕。要解決質(zhì)子交換臘的高成本問題，主要有兩種可行方案：一是減少質(zhì)子交換膜的用量，發(fā)展薄膜型電解質(zhì)；二是研制新型價(jià)廉的質(zhì)子瓷缸膜。W.L.Gore&Associate公司以多孔的聚四氟乙烯膜為基底，浸入Nafion樹脂或部分氟化樹脂制備復(fù)合膜。不僅可以減少昂貴的全氟樹脂用量，降低膜成本，而且還可以發(fā)病膜的尺寸穩(wěn)定性。4.2：膜電極的性能PEMFC的核心部件是膜電極組件〔Membraneelectrodeassembly〕，又稱MEA。研究說明，MEA的制備工藝直接影響質(zhì)子交換膜燃料電池的性能。傳統(tǒng)方法通常是將全氟磺酸膜夾在兩片氣體擴(kuò)散電極〔陰陽兩極〕間，采用熱壓技術(shù)制成“三明治”結(jié)構(gòu)的MEA。不少研究人員改良了膜電極三合一組件的制備工藝，研制CCM〔Catalystcoatedmembrand〕薄膜電極，以提高催化劑利用率，降低電解質(zhì)與催化層間的接觸電阻，實(shí)現(xiàn)增大電池輸出的目的。J.H.Park等采用NaBH4復(fù)原法直接將Pt沉積到聚吡咯〔PPY〕/Nafion復(fù)合電解質(zhì)膜上，測試說明，膜電極在80°C,0.3V放電時(shí)，電流密度到達(dá)888mA?cm-2；O.Antoine等通過研制梯度催化屋實(shí)現(xiàn)電極立體化，明顯提高了催化劑的利用率，降低了Pt擔(dān)量。改良?xì)怏w擴(kuò)散層的材料組成和制備工藝也是提高膜電極性能的有效途徑之一。據(jù)報(bào)道，S.Gambuzev等采用泡沫鎳作為氣體擴(kuò)散層基底材料，并使用成孔劑增加孔隙率，在80C，常壓下測試MEA性能，電壓為0.7Vjf,電流密度到達(dá)?cm-2；J.R.Yu等改變了傳統(tǒng)配制整平層漿料的技術(shù)，在炭紙以干法沉積炭黑和PTFE粉體混合物，測試結(jié)果說明電池性能的重現(xiàn)性良好，該技術(shù)操作工藝簡便，適宜膜電極批量生產(chǎn)。4.3：燃料的安全性與實(shí)驗(yàn)性目前，應(yīng)用最廣泛的質(zhì)子交換膜燃料電池是氫燃料電池。由于氫氣在儲(chǔ)存和運(yùn)輸環(huán)節(jié)具有危險(xiǎn)性，而且原來的加油站改為加氣站將花費(fèi)巨額投資，難以滿足電池車燃料補(bǔ)給。因此，燃料的安全性與實(shí)用性成為制約PEMFC發(fā)展的主要問題之一。金屬氫化物儲(chǔ)氫技術(shù)比加壓儲(chǔ)氫安全性高，然而由于金屬氫化物自身質(zhì)量較大導(dǎo)致質(zhì)量儲(chǔ)氫密度偏低，并且該技術(shù)成本偏高；甲醇重整制氫是當(dāng)今氫能領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。由于重整過程本身就是一個(gè)異相催化反應(yīng)，引入重整器將使燃料電池系統(tǒng)更為復(fù)雜；以甲醇、乙醇、二甲醚等有機(jī)化合物直接進(jìn)料的質(zhì)子交換膜燃料電池稱為直接醇類燃料電池〔Directalcoholfuelcell,簡稱DAFC〕。與氫質(zhì)子交換膜燃料電池相比，DAFC具有攜帶方便、結(jié)構(gòu)簡單的安全性高的優(yōu)點(diǎn)，因而在小型獨(dú)立電源、國防通訊、單兵作戰(zhàn)武器電源以及移動(dòng)、攝像機(jī)和筆記本電腦電源等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。雖然目前關(guān)于直接甲醇燃料電池〔DMFC〕的研究取得了一定成果，但是仍然存在著兩大亟待解決的突出問題：一是CH3OH的電化學(xué)氧化動(dòng)力學(xué)，二是甲醇可以通過電解質(zhì)膜滲透到陰極，在陰極發(fā)生氧化，形成混合電位，從而降低了電池的輸出電壓。S.L.Wang等將CCM技術(shù)應(yīng)用于直接甲醇燃料電池，75C時(shí)，最大功率密度可達(dá)260mW?cm2。E.Gulzow等研制出含16片膜電極，電極面積25cm2的DMFC電池組，考察了電池工作時(shí)的電流密度分布情況。L.Jorissen等將磺化芳基主鏈聚合物和普通聚合物混合，制得新型的質(zhì)子交換膜，與Nafion?系列電解質(zhì)膜相比，明顯抑制了甲醇的滲透。采用重整氣作為PEMFC的燃料，H2中通常會(huì)混有10~100ppm的CO；直接以甲醇為燃料同樣會(huì)生成CO中間體。痕量的CO在低溫下〔T<130C〕將會(huì)導(dǎo)致Pt催化劑失活。其原因是CO在催化劑外表的吸附能力遠(yuǎn)比H2強(qiáng)，可以優(yōu)先占據(jù)陽極催化劑的活性位，阻