高分子電解質型燃料電池的工作原理及改進方法
——評《圖解化學電池》

李彩芳

（平頂山工業職業技術學院，河南 平頂山 467000）

由于不可再生能源的枯竭引發的環境污染、全球氣候變暖等問題日益嚴重，可再生能源的重要性不斷提高，其中，高效、清潔、含量豐富的氫能成為能源熱點。化學電池是靠內部的化學反應產生電能，并將該電能加以釋放的電源的總稱。化學電池包括一次電池、二次電池、燃料電池以及特殊電池等4大類。燃料電池可以直接將燃料中的化學能轉化為電能，而無需經過燃燒過程，優點是能源效率高、排放接近零、噪音低且可靠性高。燃料電池的最佳燃料是氫，基于可再生能源的氫經濟——包括制氫、儲氫和將氫轉化為電能，被廣泛認為是有前景的能源解決方案。

《圖解化學電池》是“名師講科技前沿系列”中的一冊，內容包括化學電池原理和簡史、一次電池和二次電池等6章，著重介紹了鋰離子二次電池和燃料電池等內容。針對化學電池的入門者、制作者、應用者、研究開發者和決策者等多方面的需求，本書圖文并茂，全面且簡明扼要地介紹化學電池的工作原理、相關材料、制作工藝、新進展、新應用及發展前景等。做到了深入淺出，通俗易懂;層次分明，思路清晰;內容豐富，重點突出;選材新穎，強調應用。

1 燃料電池概述與分類

燃料電池作為一種能量轉換型發電裝置，由陽極、陰極和電解液等3個基本單元組成，可以將化學能直接轉化為電能。工作時，燃料在電池的陽極發生氧化反應，產生電子和質子。質子在電池的電解質內進行移動傳輸，同時，電子通過外接電路流向陰極，引起氧化劑還原反應，整個閉合電路就此形成，并對外做功。燃料電池技術的革命性變化體現在傳統的電解質溶液被固體聚合物電解質所取代。除了傳統燃料電池能量轉換效率高、環保等優點外，使用聚合物電解質隔膜能夠有效地避免電解質泄漏等技術難點，進一步縮小電池體積，并提高電池的比功率和比能量。此類聚合物電解質燃料電池可以適應低溫工作環境，能夠在室溫下快速啟動，對負載變化快速響應，因此，很適于在交通、建筑和可移動能源等領域使用。

與內部儲能型二次電池不同，燃料電池的工作方式更像是一種發電機。電池外部燃料（如氫氣、甲烷、乙醇等）的不間斷供應為它提供持續的能量來源。從理論上講，只要燃料和氧氣供應充足，燃料電池就可以持續不斷發電，而一次電池一旦耗盡反應物，就不能提供動力。燃料電池的電化學過程可以超出卡諾循環極限，以避免不必要的能量損失，因此具有較高的能量轉換效率（40%～60%），理論上的能量轉換效率在80%以上。且當燃料為氫氣時，燃料電池的排出物僅有水，能減少和消除碳氧化物、氮氧化物及硫氧化物等污染的排放。此外，燃料電池柔和安靜的操作過程，靈活和可調節的功率容量，以及廣泛的燃料供應來源，也使其作為一種高效的能源使用形式脫穎而出，受到科學界和工業界的高度推崇。

根據電解質的不同，燃料電池可分為以下幾種:質子交換膜燃料電池（PEMFC，電解質為固體高分子膜）、堿性燃料電池（AFC，電解質為氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC，電解質為碳酸鋰或碳酸鈉等混合鹽）、固體氧化物燃料電池（SOFC，電解質為陶瓷，又稱陶瓷型燃料電池）、陰離子交換膜燃料電池（AEMFC，電解質為固體高分子膜）和磷酸燃料電池（PAFC，電解質為磷酸水溶液）。

2 高分子電解質型燃料電池（PEFC）的工作原理

書中介紹了兩種高分子電解質型燃料電池（PEFC），即PEMFC和AFC。PEMFC的電解質主要使用的是由美國杜邦公司生產的全氟磺酸型Nafion膜和加拿大道公司生產的Dow膜。它們的優點是使用壽命長、高度耐腐蝕、質子導電性佳，缺點是甲醇透過系數高、使用溫度較低（＜100℃），并且價格昂貴，難以大規模工業化應用。科學家和工程師都高度重視價格低、性能優的質子交換膜的發展。想要提高PEMFC的功率密度，可以通過將膜做得很薄來控制電解質的厚度。

目前，PEMFC的水管理是一個復雜的問題。如果質子交換膜表面干燥，電池的導電性能就會受到影響而下降，需要對進入電池的氣體提前進行加濕處理。電池的工作溫度也不能高于水的沸點，電池反應后產生的水需要被及時排出，否則發生的水淹現象會堵塞氣體通道，影響到整個燃料電池的正常運行。通過對空氣系統的算法和策略進行改進，可以有效實現對變載過程中計量比的控制，使每次變載過程陰極側有穩定的氧氣濃度。通過協調控制電流和陰極流量，使每次變載過程膜電極保持穩定的干濕狀態，可避免干濕波動引起電池壽命衰減。

3 PEFC的改進

作為新型清潔能源的代表，PEFC的研究和應用被視作未來發展的重要前景。這項技術還難以大規模商業化，因為電池的輸出功率和充放電循環次數受到了電池催化劑活性和穩定性較低等因素的制約。

典型的PEMFC通常包括膜電極組件（MEA）和雙極板（BP），其中MEA由含微孔層（MPL）的氣體擴散層（GDL）、催化層（CL）和質子交換膜（PEM）組成。GDL和MPL的未來發展應側重于優化跨尺度和跨組件傳輸，同時在結構和潤濕性控制方面與其他組件的改進兼容。對于CL，催化劑的活性在旋轉圓盤電極上足夠大，但在MEA和堆棧級別，仍需要相當大的改進。基于分子排列的碳載體和催化劑/聚合物界面的改性，有望改善離聚物分布和催化劑利用率。有序結構的MEA很有希望應用于未來的PEMFC，因為它可以在超低催化劑負載下實現高功率密度。在接下來的5～10年中，具有增強耐用性和適應性的全氟磺酸（PFSA）基聚合物預計將繼續主導質子交換膜市場。BP設計的未來目標是解決耐腐蝕性、制造成本和界面接觸電阻問題。未來的超高功率密度操作需要增強物質傳輸能力。由于消除界面和減小體積的優勢，集成化的BP-MEA設計有望為實現超高功率密度提供一條有利的途徑。總而言之，提高功率密度、降低成本和增強耐用性，將直接促進PEMFC的大規模商業化應用。這3個標準在很大程度上相互關聯，有時相互制約，在開發不同的燃料電池產品時應綜合考慮。在現有材料框架下，建立精細可控、易于制造的結構設計是一個關鍵方向，同時，新材料的研發有望產生長期、深遠的影響。

PEMFC的陽極催化劑一般是碳載鉑（Pt/C），但是因為Pt對CO的耐受性較差，在低溫工作條件下，CO會吸附在Pt上，導致Pt催化劑失活，因此需要采用對CO耐受度較高的材料或者降低燃料中的CO濃度。在實踐中發現，Pt合金可以解決這方面的問題，Pt合金的應用還可以提高燃料電池的效率。陰極氧還原反應是電池極化的主要來源，并且動力學過程相對較慢，因此需要投入大量的研究。優化催化劑的配置，可以優化燃料電池陰極催化劑的性能;同時，PEMFC產生的電流取決于反應物通過電池組件的擴散能力。在以往的研究中，GDL和催化劑孔隙率被認為是常用參數。通過采用ANSYSFLUENT中的計算流體動力學（CFD）模型，對燃料電池進行數值模擬，基于Taguchi方法對單個電池中GDL層和催化劑層的孔隙率進行優化，可將電池性能提高12.5%。與催化劑層的孔隙率相比，PEMFC的電流密度較強依賴于GDL孔隙率。電池孔隙率的優化增加了膜的含水量，最終提高了電池的電流密度。

PEMFC的兩極一般使用Pt基催化劑，陽極的反應速率要快于陰極。一般通過加大Pt的用量來提高陰極的反應速率。在一定程度上而言，陰極氧還原反應（ORR）的速率是限制PEMFC反應速率的主要因素。Pt是酸性介質中的氧還原反應的高效催化劑，但是因為資源有限、生產成本高且穩定性差，難以大規模商業化。目前對PEMFC中Pt催化劑的研究，主要包括以下兩個方面:一個是通過進一步提高陰極催化劑的催化活性來降低Pt的含量;另一個是將膜電極的結構進行優化，從而最大化膜電極的氣/固/液三相界面，進一步減少傳質損失，以便提高Pt的利用率。直接甲醇燃料電池（DMFC）燃料存儲方便，能量密度高，并且綠色環保，因此發展前景較為理想，同時也被視為便攜式電子設備和電動汽車的有效動力來源。

居高不下的成本已成為車用PEMFC商業化的最大阻礙，其中，用于陰極氧還原反應的Pt基貴金屬催化劑的成本占比最高，降低Pt用量是控制燃料電池成本的關鍵所在。PEMFC正朝著產業化應用的方向快速發展，膜電極低Pt化是必須邁出的重要一步。

4 結語

《圖解化學電池》由清華大學田民波教授編寫，結合當今科技熱點與前沿，內容安排合理，圖文并茂，通過雙單頁左文右圖的模式，詳細介紹了干電池、鋅銀電池、蓄電池和燃料電池等的基本原理，電極和電解液材料，電池的構成以及性能評價等相關內容，既有科學價值，又提高了可讀性。該書在注重實用性、系統性的同時，與時俱進，兼顧前瞻，將前沿成果帶到讀者面前。該書可作為化學、材料、化工、能源及動力、機械、微電子、顯示器、物理、計算機和精密儀器等相關領域的科技、工程技術人員的參考書籍。

書名:圖解化學電池

作者:田民波編著

ISBN:9787122336767

出版社:化學工業出版社

出版時間:2019-05-01

定價:￥49.00元