高分子电解质型燃料电池的工作原理及改进方法——评《图解化学电池》

李彩芳

（平顶山工业职业技术学院，河南 平顶山 467000）

由于不可再生能源的枯竭引发的环境污染、全球气候变暖等问题日益严重，可再生能源的重要性不断提高，其中，高效、清洁、含量丰富的氢能成为能源热点。化学电池是靠内部的化学反应产生电能，并将该电能加以释放的电源的总称。化学电池包括一次电池、二次电池、燃料电池以及特殊电池等4大类。燃料电池可以直接将燃料中的化学能转化为电能，而无需经过燃烧过程，优点是能源效率高、排放接近零、噪音低且可靠性高。燃料电池的最佳燃料是氢，基于可再生能源的氢经济——包括制氢、储氢和将氢转化为电能，被广泛认为是有前景的能源解决方案。

《图解化学电池》是“名师讲科技前沿系列”中的一册，内容包括化学电池原理和简史、一次电池和二次电池等6章，着重介绍了锂离子二次电池和燃料电池等内容。针对化学电池的入门者、制作者、应用者、研究开发者和决策者等多方面的需求，本书图文并茂，全面且简明扼要地介绍化学电池的工作原理、相关材料、制作工艺、新进展、新应用及发展前景等。做到了深入浅出，通俗易懂;层次分明，思路清晰;内容丰富，重点突出;选材新颖，强调应用。

1 燃料电池概述与分类

燃料电池作为一种能量转换型发电装置，由阳极、阴极和电解液等3个基本单元组成，可以将化学能直接转化为电能。工作时，燃料在电池的阳极发生氧化反应，产生电子和质子。质子在电池的电解质内进行移动传输，同时，电子通过外接电路流向阴极，引起氧化剂还原反应，整个闭合电路就此形成，并对外做功。燃料电池技术的革命性变化体现在传统的电解质溶液被固体聚合物电解质所取代。除了传统燃料电池能量转换效率高、环保等优点外，使用聚合物电解质隔膜能够有效地避免电解质泄漏等技术难点，进一步缩小电池体积，并提高电池的比功率和比能量。此类聚合物电解质燃料电池可以适应低温工作环境，能够在室温下快速启动，对负载变化快速响应，因此，很适于在交通、建筑和可移动能源等领域使用。

与内部储能型二次电池不同，燃料电池的工作方式更像是一种发电机。电池外部燃料（如氢气、甲烷、乙醇等）的不间断供应为它提供持续的能量来源。从理论上讲，只要燃料和氧气供应充足，燃料电池就可以持续不断发电，而一次电池一旦耗尽反应物，就不能提供动力。燃料电池的电化学过程可以超出卡诺循环极限，以避免不必要的能量损失，因此具有较高的能量转换效率（40%～60%），理论上的能量转换效率在80%以上。且当燃料为氢气时，燃料电池的排出物仅有水，能减少和消除碳氧化物、氮氧化物及硫氧化物等污染的排放。此外，燃料电池柔和安静的操作过程，灵活和可调节的功率容量，以及广泛的燃料供应来源，也使其作为一种高效的能源使用形式脱颖而出，受到科学界和工业界的高度推崇。

根据电解质的不同，燃料电池可分为以下几种:质子交换膜燃料电池（PEMFC，电解质为固体高分子膜）、碱性燃料电池（AFC，电解质为氢氧化钾或氢氧化钠水溶液）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC，电解质为碳酸锂或碳酸钠等混合盐）、固体氧化物燃料电池（SOFC，电解质为陶瓷，又称陶瓷型燃料电池）、阴离子交换膜燃料电池（AEMFC，电解质为固体高分子膜）和磷酸燃料电池（PAFC，电解质为磷酸水溶液）。

2 高分子电解质型燃料电池（PEFC）的工作原理

书中介绍了两种高分子电解质型燃料电池（PEFC），即PEMFC和AFC。PEMFC的电解质主要使用的是由美国杜邦公司生产的全氟磺酸型Nafion膜和加拿大道公司生产的Dow膜。它们的优点是使用寿命长、高度耐腐蚀、质子导电性佳，缺点是甲醇透过系数高、使用温度较低（＜100℃），并且价格昂贵，难以大规模工业化应用。科学家和工程师都高度重视价格低、性能优的质子交换膜的发展。想要提高PEMFC的功率密度，可以通过将膜做得很薄来控制电解质的厚度。

目前，PEMFC的水管理是一个复杂的问题。如果质子交换膜表面干燥，电池的导电性能就会受到影响而下降，需要对进入电池的气体提前进行加湿处理。电池的工作温度也不能高于水的沸点，电池反应后产生的水需要被及时排出，否则发生的水淹现象会堵塞气体通道，影响到整个燃料电池的正常运行。通过对空气系统的算法和策略进行改进，可以有效实现对变载过程中计量比的控制，使每次变载过程阴极侧有稳定的氧气浓度。通过协调控制电流和阴极流量，使每次变载过程膜电极保持稳定的干湿状态，可避免干湿波动引起电池寿命衰减。

3 PEFC的改进

作为新型清洁能源的代表，PEFC的研究和应用被视作未来发展的重要前景。这项技术还难以大规模商业化，因为电池的输出功率和充放电循环次数受到了电池催化剂活性和稳定性较低等因素的制约。

典型的PEMFC通常包括膜电极组件（MEA）和双极板（BP），其中MEA由含微孔层（MPL）的气体扩散层（GDL）、催化层（CL）和质子交换膜（PEM）组成。GDL和MPL的未来发展应侧重于优化跨尺度和跨组件传输，同时在结构和润湿性控制方面与其他组件的改进兼容。对于CL，催化剂的活性在旋转圆盘电极上足够大，但在MEA和堆栈级别，仍需要相当大的改进。基于分子排列的碳载体和催化剂/聚合物界面的改性，有望改善离聚物分布和催化剂利用率。有序结构的MEA很有希望应用于未来的PEMFC，因为它可以在超低催化剂负载下实现高功率密度。在接下来的5～10年中，具有增强耐用性和适应性的全氟磺酸（PFSA）基聚合物预计将继续主导质子交换膜市场。BP设计的未来目标是解决耐腐蚀性、制造成本和界面接触电阻问题。未来的超高功率密度操作需要增强物质传输能力。由于消除界面和减小体积的优势，集成化的BP-MEA设计有望为实现超高功率密度提供一条有利的途径。总而言之，提高功率密度、降低成本和增强耐用性，将直接促进PEMFC的大规模商业化应用。这3个标准在很大程度上相互关联，有时相互制约，在开发不同的燃料电池产品时应综合考虑。在现有材料框架下，建立精细可控、易于制造的结构设计是一个关键方向，同时，新材料的研发有望产生长期、深远的影响。

PEMFC的阳极催化剂一般是碳载铂（Pt/C），但是因为Pt对CO的耐受性较差，在低温工作条件下，CO会吸附在Pt上，导致Pt催化剂失活，因此需要采用对CO耐受度较高的材料或者降低燃料中的CO浓度。在实践中发现，Pt合金可以解决这方面的问题，Pt合金的应用还可以提高燃料电池的效率。阴极氧还原反应是电池极化的主要来源，并且动力学过程相对较慢，因此需要投入大量的研究。优化催化剂的配置，可以优化燃料电池阴极催化剂的性能;同时，PEMFC产生的电流取决于反应物通过电池组件的扩散能力。在以往的研究中，GDL和催化剂孔隙率被认为是常用参数。通过采用ANSYSFLUENT中的计算流体动力学（CFD）模型，对燃料电池进行数值模拟，基于Taguchi方法对单个电池中GDL层和催化剂层的孔隙率进行优化，可将电池性能提高12.5%。与催化剂层的孔隙率相比，PEMFC的电流密度较强依赖于GDL孔隙率。电池孔隙率的优化增加了膜的含水量，最终提高了电池的电流密度。

PEMFC的两极一般使用Pt基催化剂，阳极的反应速率要快于阴极。一般通过加大Pt的用量来提高阴极的反应速率。在一定程度上而言，阴极氧还原反应（ORR）的速率是限制PEMFC反应速率的主要因素。Pt是酸性介质中的氧还原反应的高效催化剂，但是因为资源有限、生产成本高且稳定性差，难以大规模商业化。目前对PEMFC中Pt催化剂的研究，主要包括以下两个方面:一个是通过进一步提高阴极催化剂的催化活性来降低Pt的含量;另一个是将膜电极的结构进行优化，从而最大化膜电极的气/固/液三相界面，进一步减少传质损失，以便提高Pt的利用率。直接甲醇燃料电池（DMFC）燃料存储方便，能量密度高，并且绿色环保，因此发展前景较为理想，同时也被视为便携式电子设备和电动汽车的有效动力来源。

居高不下的成本已成为车用PEMFC商业化的最大阻碍，其中，用于阴极氧还原反应的Pt基贵金属催化剂的成本占比最高，降低Pt用量是控制燃料电池成本的关键所在。PEMFC正朝着产业化应用的方向快速发展，膜电极低Pt化是必须迈出的重要一步。

4 结语

《图解化学电池》由清华大学田民波教授编写，结合当今科技热点与前沿，内容安排合理，图文并茂，通过双单页左文右图的模式，详细介绍了干电池、锌银电池、蓄电池和燃料电池等的基本原理，电极和电解液材料，电池的构成以及性能评价等相关内容，既有科学价值，又提高了可读性。该书在注重实用性、系统性的同时，与时俱进，兼顾前瞻，将前沿成果带到读者面前。该书可作为化学、材料、化工、能源及动力、机械、微电子、显示器、物理、计算机和精密仪器等相关领域的科技、工程技术人员的参考书籍。

书名:图解化学电池

作者:田民波编著

ISBN:9787122336767

出版社:化学工业出版社

出版时间:2019-05-01

定价:¥49.00元