在技术上，氢能源系统包括氢的制备、贮存与运输和燃料电池3部分，其中燃料电池是氢能系统的核心。燃料电池是一种氢®电转换装置，是实现氢能源系统的关键，它能实现化学能®电能的一次性转换，使我们从此告别了“热化学时代，跨入了能源高效利用的电化学时代。现在，燃料电池已开始商业化运行，因此可以说，氢能社会离我们并不遥远。

燃料电池是基于电化学原理实现化学能®电能直接转换的装置。它主要由阳极催化层、阴极催化层和电解质膜组成。工作时，由外界连续不断地向阳极输入燃料（譬如氢气），阴极输入氧化剂（譬如纯氧或空气），电能就会源源不断地产生，能量转换效率>45％，余下的能量转换成热亦可被利用，综合效率可达80%。

燃料电池的工作原理

燃料电池发电方式与火力发电的比较

需要特别说明的是，虽然都叫“电池”，燃料电池却与普通的蓄电池有本质的不同。燃料电池本质上是一台发电装置，无需像蓄电池那样充电，可长时间连续工作。在结构上，其反应物质（燃料和氧化剂）不包含在电池内部，由外界供给。而蓄电池是一种能量存贮装置，所有反应物质都包含在电池内部，与外界没有物质交换，当其中的电能用完后，需要充电进行逆转换，因此，蓄电池有容量的限制。然而，燃料电池又不同于一般的内燃发电机组，其中的燃料没有经过燃烧，无热能 ® 动能的转换过程，无运动部件，发电时效率高、清洁、安静、无污染。可以这样来理解燃料电池的概念：以“电池”的原理工作，实现的是发电机的功能。

燃料电池的应用（三大领域：移动电源、交通运输、大型电站）

燃料电池是继水电、火电、核能之后第四代发电装置，它的出现开辟了人类利用化学能的新时代，即由热化学时代过渡到电化学时代，使我们{dy}次实现了由化学能®电能的直接大规模转换。

燃料电池采用模块式结构，发电效率不随电堆的大小而变化，因此可做成各种尺寸，燃料电池的应用十分广泛，涉及社会生活的各个领域。按用途，可大致将燃料电池的应用分3个方面：便携式电源、电动汽车、静置式电站。一般按功率，兆瓦级的大型燃料电池可作发电站，供整个城市或社区用电；1~100千瓦级的可用作电动汽车、电动摩托车的动力；1～500W级的燃料电池可做成各种便携式电源，与家用电器、通讯设备、科学仪器配套；也有更小的毫瓦级的燃料电池用于集成电路。

特别地，由于无需电网支持，燃料电池非常适合野外和移动的场合，尤其是航空航天和军事领域。在民用方面，适合手机、笔记本电脑、电子图书馆等个人电子信息产品，可彻底解决电池容量对这些产品功能的限制，可以实现无时间限制的通话、上网和信息浏览。更重要的是，对于静置式电站，可实现分布式供电，避免现有大型电网大面积停电事故的发生，极大地提高了供电安全。

燃料电池是1839年由英国人William Grove发明的，已有很长的历史。1965年美国在“双子星”号载人飞船上采用燃料电池供电获得成功，极大地促进了燃料电池的发展。现在燃料电池已有多种，按电解质可分成五类，按出现的时间顺序依次是：碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）。其中固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池近一二十年发展极为迅速。固体氧化物燃料电池在800～1000℃的高温下工作，综合发电效率高，适合作大型电站；质子交换膜燃料电池工作温度小于100℃，可室温启动，体积较小，质量轻，比较适合作小型移动电源，是最接近商业化应用的一种。

按电解质分的五种燃料电池工作原理图

质子交换膜燃料电池由石墨双极板、扩散层、催化层和质子交换膜组成。通常将阳极催化层／质子交换膜／阴极催化层的组合称为膜电极（Membrane Electrode Assembly, MEA）。膜电极中通常包括了扩散层和催化层。石墨双极板的两侧刻有气体流道，能将气体均匀地引导到扩散层和催化层的各个部位，故又称流场板。

(1) 质子交换膜

质子交换膜燃料电池中的电解质是一层薄的聚合物膜，厚度通常在20~200mm之间（取决于不同的牌号）。最常用的电解质膜是聚全氟磺酸（polymerized Perfluoro Sulfonic Acid, PFSA），商品名为Nafion^Ò，为杜邦（Dupont）公司的专利产品，其外形类似于食品保鲜膜。其分子结构分三个部分：类似聚四氟乙烯的主链，通过醚键与主链相连的侧链区，在侧链的末端是可传输质子的磺酸根。

Nafion^Ò膜有独特的微相结构。聚四氟乙烯的主干以三明治方式在膜内组成随机分布的纳米管道，磺酸根在管的内侧形成离子簇，管道的直径约为4nm。平常管内保持空状态，工作时充满了水，水分子与SO₃H中的质子结合形成水合质子H⁺×m(H₂O)（hydronium ion，m=1~2.5)，削弱了SO₃^-与H⁺间的作用力，使水合质子在电场作用下由阳极向阴极迁移，形成膜的氢离子导电特性。

质子交换膜燃料电池结构原理图

Nafion^Ò膜的分子结构图

几种质子交换膜的物理化学性质

除了Nafion^Ò膜以外，还有美国Dow Chemical公司的Dow膜和日本Asahi Chemical公司的Aciplex^Ò-S膜。其结构与Nafion^Ò膜类似，只是侧链长短不一，从而在机械性能和比电导率上有差异。

(2) 膜电极

质子交换膜燃料电池阴阳极的结构基本相同，都是由扩散层和催化层组成。对于氢空质子交换膜燃料电池，阴阳极xx一样，制备时不作区分，对于直接甲醇燃料电池（质子交换膜燃料电池的一种，以甲醇为燃料），阴阳极的催化剂组成不同。

扩散层由疏水处理后的碳纸或碳布做成，厚度约在100~300mm。扩散层的作用有三：一是对催化层起支撑作用；二是利用其多孔结构疏导燃料（气态如氢气，液态如甲醇溶液）流或氧气流均匀地进入催化层的各个部分；三是起集流体的作用。扩散层对碳纸/碳布有很高的要求：（1）很高的电导率；（2）适宜的空隙率和孔径大小；（3）三恰当的疏水处理；（4）一定的柔韧性。此外用作催化层支持层的一侧要用碳粉和聚四氟乙烯作适当的平整处理。目前常用的碳纸是日本Toray公司的TGP系列和加拿大Ballard公司的AvCarb Grade-P50T系列，这两类碳纸都是由PAN纤维组成，TGP系列的较硬，AvCarb Grade-P50T系列较软。碳布的种类较多，因为碳布有不同的经纬编织情况。通常碳布的导电率低一些。

催化层是实际电化学反应发生的场所，对电堆的性能有很重要的影响。催化层极薄，只有10mm左右。对于氢空质子交换膜燃料电池，所用催化剂是Pt/C，对于直接甲醇燃料电池，阳极所用催化剂是Pt-Rh/C，阴极仍是Pt/C。Pt/C催化剂是负载在碳粉上的粒径小于3nm的铂微晶。Pt的负载量随催化剂的牌号和公司的制备工艺的不同有很大差别，选择时要根据电堆的使用目的和催化层的制备工艺而定。催化层的制备是将催化剂、质子传导剂（Nafion^Ò溶液）、疏水剂（PTFE乳液）、分散剂和水混合配成浆料，通过涂布、喷涂、移印或网印将浆料均匀地涂在经平整处理的扩散层或质子交换膜上。经适当的热处理后，将制好的阴极（包括扩散层和催化层）和阳极（包括扩散层和催化层）的催化层相对地夹在质子交换膜的两侧，进行热压复合，形成一体化的膜电极MEA。

膜电极是燃料电池的核心。其制备工艺有很多技巧，其中重要的是控制催化剂颗粒附近的气-固-液三相界面。只有保证催化剂既与电子导电相（C）接触，又要与质子导电相（Nafion）接触，既有气相通道又有液相通道，才能使催化剂发挥作用，从而提高膜电极的性能。评价膜电极的性能需要专门的单膜测试设备才能进行。

(3) 双极板

       双极板是燃料电池十分重要的部件之一。它有以下几个作用：一、分隔燃料气体和氧化气体；二、收集电流；三、分配气体；四、导热，向外传输反应过程产生的热量；五、增湿或排水，排斥膜电极内的水平衡。

       通常双极板用2~3mm的高强度和高电导率的石墨板雕刻而成，也有用金属板冲压而成的，但金属板通常不耐磺酸根的腐蚀，长期使用后电导率降低。

       双极板中流道的设计是质子交换膜燃料电池中的另一个技术关键。它涉及到电堆的一些重要性能，如功率密度、连续工作时间等等。流道的计算十分的复杂，紧靠专用的流体力学软件不能解决问题，因为在流道内流体的组成、温度、状态在变，至今仍有许多基础的理论问题没有解决。实际设计时必须依靠经验。

膜电极和双极板进行交替堆砌组合

质子交换膜燃料电池电堆实物图

将膜电极和双极板进行交替堆砌组合，就形成了质子交换膜燃料电池电堆。组合时要加适当压力以求气密。最终电堆的性能与上述每一部分都有关系。作为一个整体，质子交换膜燃料电池电堆要着重解决下面三个关键问题：

(1) 密封

密封的目的是防止燃料、氧化剂与冷却介质闻互相混合以及向电池外泄漏。密封材料要满足以下基本要求：密封压力为20～200kPa；使温度在40～100℃流体中的溶胀率不超过5％；模压收缩率低于3％；在流体中不发生成分浸出；不与电池其他部件发生化学反应；稳定运行5万～10万h。

常用氟橡胶或硅橡胶作密封材料。柔性石墨用在电池中不仅密封效果好，而且成本低。与橡胶材料不同，柔性石墨属于导电材料，使用时要防止发生电池短路现象。处理PEMFC密封最关键的环节是电池的密封和MEA与双极接触达到协调一致。

(2) 水管理

质子交换膜的离子传导率与含水量密切相关，当其中每个磺酸根结合的水分子少于4时，质子交换膜几乎无法导通质子。因此，如何保持膜的湿润状态就显得非常重要。

PEMFC工作时，阳极产生的氢离子会携带l～2.5个水分子到达阴极，这就意味着在高电流密度时，即使阴极非常湿润，阳极也会变干。温度为60％时，空气流吹干电极的速率高于阴极上电化学反应水的生成速率。研究和实验数据显示：当PEMFC的工作温度超过60℃时，为保证电池堆正常工作，必须对反应气体进行加湿。

PEMFC工作时，阴极反应生成的水与从阳极迁移来的水混合后导致水的浓度升高；燃料极与空气极存在的水浓度差会导致水从空气极向燃料极的逆扩散。供给电池堆的水分和阴极生成的水分如果增加到一定程度，电极的微孔将会被堵塞，降低了反应气体的扩散。

另外，增湿水量如果过多，也会堵塞电极微孔，给气体扩散带来障碍。如果水分过少，则会导致高分子膜的水的含量过低，从而导致电池堆内部阻力增大。即使在同一电池内部也会出现增湿过量或增湿不足的现象。因此，必须严格控制电池堆的增湿和生成水的排出，确保质子交换膜保持在正常的湿润状态下工作。

在反应气体进入电池前进行增湿是防止电池“干膜”有效且可靠的措施。常用的增湿方法有外增湿法和内增湿法两种。外增湿法是向加热了的水槽内通入反应气或直接向反应气中喷入水蒸气。为简化电池系统，目前电池组均采用内增湿，即在电池组内加入增湿段以实现反应气的增湿。增湿段由多个一侧走水，另一侧走气的假电池构成，它利用隔膜（如Nation膜）阻气和水渗透特性增湿气体。依增湿要求，增湿段在电堆中的比例一般为l/10～1/5。

(3) 电池堆热量管理

质子交换膜燃料电池组通常设定的平均单电池工作电压在0.6~0.75V的范围内，此时电池组的能量转化效率在50％～60％。为维持电池组工作温度的稳定，必须将废热排出。为确保电池组各部分工作温度均匀，尤其在大电流密度工作时，防止电池组局部过热，国前采用最多的排热技术是采用在电池组内设置带排热腔的双极板，即排热板，通入冷却液循环排热。对小于l kW的PEMFC电池堆，可采用空气冷却。

质子交换膜燃料电池的工作原理可用下式表示：

阳极：       2H₂ → 4H⁺ + 4e^-

阴极：       O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O

整体：       2H₂ + O₂ → 2H₂O + 能量

电池工作温度应控制在40~80℃之间。在室温时（25℃），单片电池开路电压1.23V，随温度升高，此值下降，80℃时降到1.18V。在额定条件下工作时，单电池的电压在0.7V左右。耗氢量为每分钟每千瓦耗氢0.965g,约13.2L。

典型的质子交换膜燃料电池放电曲线。

电池正常工作时电压曲线如蓝线所示，比较平稳，燃料或氧气供应不足和电池内阻增大时电压会按红线下降。

燃料电池发电系统通常由燃料供应、电池组、BOP（Balance of Plant）与电气系统（Power Conditioning Unit）四大部份，以下兹分别说明。

燃料电池发电系统框图

（带重整器，可以煤气、天然气、甲烷、甲醇、乙醇等为燃料。不带重整器的直接使用氢气为燃料。）

燃料电池发电系统结构示意图

(1) 燃料供应

一般来说，燃料的选择有氢气或重整气（Reformated Gas）两类，如果使用氢气须考虑气体储存与输送的问题，目前常见的方法包括高压储氢、金属储氢以及化学储氢等。而使用重整气则要考虑重整反应的操作需求，例如使用蒸汽重整（Steam Reforming）时，此吸热反应所需的热能可由外部的燃烧器供给，或是在进行部份氧化（Partial Oxidation）重整反应时，反应所放出的热能可以用来供应系统需热的部份。通常在重整反应之后，还可利用水移反应（Water Shift Reaction）、选择性氧化反应（Preferential Reaction）进一步降低一氧化碳的浓度，使重组气体中之一氧化碳不致毒化电池组。

(2) 燃料电池组与BOP

周边系统（Balance of  Plant, BOP）包括空气泵、阀件、热交换器、加湿器、燃料回收系统与散热风扇等组件，这些组件与燃料电池组的搭配是提高燃料电池发电系统整体技术水平的重点。有时设计燃料电池组时为了达到{zj0}的发电性能，通常会提高燃气的压力或温度，反而使泵等组件的耗电量增加，降低了整体效率，因此取得电池性能与系统效率的平衡点是设计时重点需要考虑的问题。

(3) 电气系统

电气系统的作用除了将燃料电池的直流电力转换成交流电输出之外，还有调整系统的电控策略以符合所需的运作模式。常见的运作模式包括：独立运转（Stand-alone System）、市电并联型（Grid Tied System）。无论哪种模式都要求电气系统包括D/A、D/D转换，启动时或负载功率急剧变化时的能量回收和补偿装置（通常使用锂离子电池或超级电容）等。燃料电池对D/A转换的要求较高，要求宽幅输入，恒压输出，要xx无功功率对电堆的影响，要求有欠载和过载保护电路。

为了使上述三个部分协调工作，燃料电池发电系统要求有一个控制系统，以便电堆能自动工作，并适应负载在功率、频率、甚至输出电压方面的变化。目前较好的控制系统设计方案是基于CAN总线的。

发电系统的功率分配大致如下：

以一个2kW的PEMFC系统为例。如果系统以氢气为燃料，以空气为氧化剂，电池堆内产生的热量由空气来进行冷却，利用电池堆阴极出口气体对反应气体加湿，采用氢气再循环的方式对电池堆加湿，并xx掉电池中的杂质；系统的能流是：输入系统的氢气的热值为3.84kW，最终系统的输出功率为l.64kW，热损失为1.84kW，BOP电能消耗为360W。消耗的电能用来为三个风机和泵以及电子控制系统提供电力。

为了克服通过加湿器和电池电堆时所产生的阻力，氧化剂（空气）的压力至少要高于大气压0.01MPa，这样空气压缩风机要消耗的电功为200W，冷却风机仅耗功70W，而反应空气的流量要小于冷却空气的流量。氢气循环风机耗功40W，电子控制设备耗功50W。所有消耗的电能占电池堆产生电能的18％，系统净的电功为1.64kW，发电效率为42.5％。

2kW质子交换膜燃料电池发电系统的内部结构和能流图

总体而言，目前燃料电池产业正处于蓬勃的快速发展期，技术已日臻完善。然而，在商业化进程中，燃料电池也存在以下一些问题：

（1）政策的限制。一方面，目前对燃料电池所使用的含氢燃料，如氢气、甲醇等的使用还没有出台相应的法律法规，政府部分仍然按可燃化学品来处理，限制了燃料电池在一些场合的应用，譬如燃料电池手机就不能上飞机，在居民区不可以使用氢气（其实氢气比煤气xxx）等。另一方面，燃料电池代表的是清洁的氢能源系统，要求对现有的能源供应系统进行改造，这些基础设施的建设需要政府的决策，如果像建炼油厂一样建制氢厂、像建加油站一样建加氢站、像铺煤气管一样铺设输氢管网，燃料电池的使用成本就会大大降低。

目前为了向用户提供加氢的方便性，燃料电池研发单位不得不为用户开发配套的制氢装置，实现现制现用，这会增加不小的成本，给用户也增加了经济负担，同时用户还失去了部分使用的方便性。

（2）价格偏高。燃料电池目前的价格在1000美元/kW左右，是内燃机的3-4倍，使用寿命4~8万小时，与内燃机相当。燃料电池的高价位主要还是受氢源的限制，因而市场狭小，不能形成规模化生产。另外燃料电池技术比较复杂，上游原材料的生产企业在产品售价中附加了较高的技术研发成本，且只有少数技术实力雄厚的大公司可以提供这些原材料或相关设备，有技术垄断的倾向，价格被人为抬高。近几年来，随着质子交换膜、石墨双极化板、催化剂、碳纸／碳布、碳粉等原材料的逐步国产化，国内燃料电池的成本会有较大的下降。只要解决氢的供应问题，预计燃料电池就会在今后几年内像太阳能电池一样迅速产业化。

（3）配套产业未跟上。燃料电池还需要配备复杂的周边系统（BOP）才能形成独立的发电单元。周边系统的开发需要对燃料电池电堆的性能有很深入的了解，完成大量的测试工作，其中的电路控制部分、五金配件，如氢气减压阀、氢压传感器、湿度计、反应风机、冷却风机等都需要相关专业厂家的参与。在现阶段，国内企业因其需要量小，技术难度大，参与的积极性不是很高。国外这些配件比较齐全，但价格贵，甚至超过燃料电池本身的成本，因此配套产业的跟进也是燃料电池产业化的一个前提条件。

（4）氢源问题。燃料电池的使用成本主要是氢气的价格。大规模制氢的成本并不高，但在目前制氢厂缺乏的情况下，只能给用户配置现场制氢装置。一般商用的氢气发生器采用氨催化分解或铝－水反应制氢，技术很成熟，但会增加发电成本。另外也可以配备重整器，以煤气、天然气、乙醇为燃料，这不会增加燃料电池的使用成本，但重整器价格也较高，一次性投入提高了。