氢能与质子交流膜燃料电池
1 序文
为处理动力缺少、环境污染等问题，开发清洁、高效的新动力和可再生动力已十分急迫。氢能因焚烧热值高、污染小、资源丰富成为新动力的目标，氢燃料电池作为氢能运用的有用手法，已被美国《时代》周刊评为 21 世纪有重要影响的十大技能之一。
2 氢燃料电池作业原理
燃料电池实质是水电解的“逆”设备，主要由3 部分组成，即阳极、阴极、电解质，如图 1[3]。其阳极为氢电极，阴极为氧电极。一般，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加快电极上发作的电化学反响。南北极之间是电解质。
以质子交流膜燃料电池（PEMFC）为例，其作业原理如下：
(1) 氢气经过管道或导气板抵达阳极；
(2) 在阳极催化剂的效果下，1 个氢分子解离为 2 个氢质子，并释放出 2 个电子，阳极反响为：
H2→2H++2e。
(3) 在电池的另一端，氧气（或空气）经过管道或导气板抵达阴极，在阴极催化剂的效果下，氧分子和氢离子与经过外电路抵达阴极的电子发作反响生成水，阴极反响为：1/2O2+2H++2e→H2O
总的化学反响为：H2+1/2O2＝H2O
电子在外电路构成直流电。因而，只需源源不断地向燃料电池阳极和阴极供应氢气和氧气，就可以向外电路的负载接连地输出电能。
3 PEMFC 的特色及研发运用现状
燃料电池品种较多，PEMFC 以其作业温度低、发动快、能量密度高、寿数长等长处特别合适作为便携式电源、机动车电源和中、小型发电体系。
PEMFC 发电机由本体及其隶属体系构成。本体结构除上述中心单元外，还包含单体电池层叠时为避免汽、水走漏而设置的密封件，以及压紧各单体电池所需的紧固件等。隶属体系包含：燃料及氧化剂贮存及其循环单元，电池湿度、温度调理单元，功率改换单元及体系操控单元。图 2 是一个典型的PEMFC 发电体系示意图[4]。
(1) PEMFC 作为移动式电源的运用
PEMFC 作为移动式电源的运用范畴分为两大类：一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等。适用于军事、通讯、计算机等范畴，以满意应急供电和高牢靠性、高稳定性供电的需求。实践运用是手机电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用担负式通讯电源、卫星通讯车载电源等。二是用作自行车、摩托车、轿车等交通工具的动力电源，以满意环保对车辆排放的要求。从现在开展状况看，PEMFC 是技能最老练的电动车动力电源。
国际上，PEMFC 研讨开发范畴的权威机构是加拿大 Ballard 动力体系公司。美国 H-Power 公司于 1996 年研发出世界上第一辆以 PEMFC 发电机为动力源的大巴士[5]。近年来，我国对燃料电池电动车的研发也极为注重，被列入国家重点科技攻关方案。上海神力公司、富原燃料电池有限公司、清华大学、中科院大连化物所已别离研发出旅游观光车、中巴车样车，其功能挨近或到达国际先进水平。
(2) PEMFC 作为固定式电源的运用
PEMFC 除适用于作为交通电源外，也十分合适用于固定式电源。既可与电网体系互联，用于调峰；也可作为独立电源，用作海岛、山区、边远地区、或作为国防（人防）发供电体系电源。
选用多台 PEMFC 发电机联网还可构成涣散式供电体系。涣散式供电体系有许多长处：① 可省去电网线路及配电调度操控体系；② 有利于热电联供（因为 PEMFC 电站无噪声，可就近设备，PEMFC 发电所发生的热可进入供热体系），可使燃料总运用率高达 80%以上；③ 受战役和自然灾害等影响比较小，特别合适于现代战役条件下的自动防护需求；④ 经过天燃气、煤气重整制氢，可运用 现 有 天 燃 气 、 煤 气 供 气 系 统 等 基 础 设 施 为PEMFC 供给燃料；经过再生动力制氢（电解水制氢、太阳能电解制氢、生物制氢）则可构成循环运用体系（这种循环体系特别适用于边远地区、人所），使体系建造本钱和运转本钱下降。国际上普遍认为，跟着燃料电池的推广运用，开展涣散型电站将是一个趋势。
(3) 氢能电源的军事运用远景
跟着现代科学技能的敏捷开展及其在军事范畴的广泛运用，以数字化技能为中心的新式信息技能将渗透到战场的各个范畴，从侦查、监督到预警，从通讯、指挥到操控，从武器配备的自动化、准确制导和智能化到各种电子战手法，信息技能配备已经成为掩盖整个战场的、决议战役输赢的重要因素，它不只构成整体作战的“神经体系”，并且成为整体作战才能的“倍增器”。电源作为信息技能配备的命脉，能否接连、牢靠、安全、灵敏地供电是至关重要的，它是信息技能配备密不可分的一部分。
因为 PEMFC 发电机作业温度低，红外辐射少，无轰动，没有噪音，因而特别合适用作为现代军用电源。1998 年 8 月，美国国防部在向国会国防委员会呈上的陈述中指出：移动电力是永久性防护设备最基本的五大要素之一；燃料电池发电技能代替惯例发电设备的敏捷演化，给未来发电体系选用氢气作为主燃料拓荒了路途；因为能量转化功率（超越60%）很高，操作保护极为简略，燃料电池发电机使氢动力作为主燃料的运用极为牢靠而高效。因而，把作战燃料改为氢，将取得愈加高效牢靠的发电体系、更低的排放、更低的噪音、极大地减小热辐射和红外成像，便于假装和荫蔽作战。
PEMFC 发电机的许多优胜功能，使其在航空航天及超级移动设备、水下潜艇、军事工程、通讯工程、车辆动力电源、单兵和部（分）队便携电源、边远地区、海防哨卡以及人防工程中都具有极好的运用远景。早在 1960 时代，美国航空航天局（NASA）就与通用电气公司（GE）联合开发 PEMFC发电机，并屡次用于双子星座卫星方案的飞翔，特别是 1968 年选用 Nafion 膜后在发射的生物卫星上运用PEMFC 发电机，其寿数在实验室已达57000h。后来，NASA 又与Hamilton 规范公司协作研发 RFC（再生燃料电池）体系，意图是协作太阳能发电体系组成用于火星勘探飞翔器或月球基地的动力电源（太阳能电解水设备功率 35kW，PEMFC发电机功率 25kW）。美国空军也与Treadwell 公司签订协议研讨用于卫星的 RFC 体系（PEMFC 功率12kW，电压 28V）。
在超级移动配备（EMU）运用方面，NASA 与EPSI 公司协作开发选用金属氢化物储氢的 200Wh和 1500Wh 能量的 PEMFC 体系，以代替现有配备中选用的可充电电池，可有用进步能量贮存密度和一次性充能能量以及循环寿数、充能速度。
PEMFC 在军事范畴的一个严重用处是作为水兵舰艇的动力电源。PEMFC 发电机作为潜艇不依赖于空气的推进动力（AIP）源与斯特林发动机和闭式循环柴油机比较，具有用率高、噪音低和红外辐射小等长处，在带着相同分量或体积的燃料气时，潜艇续航才能最强（大约为斯特林发动机的 2倍），且没有污染，因而 PEMFC 是潜艇 AIP 体系的最佳挑选。德国从 1980 年（也是世界上最早）开端研讨根据 PEMFC 发电机的潜艇，现在德国已能出产 212、214 类型的根据PEMFC 发电机的潜艇。而美国水兵与 AP 公司协作开端研发以柴油重整制氢为氢源的 PEMFC 发电机，还与 Treadwell 公司协作规划并制作了用于水下勘探器的 PEMFC 电源。
PEMFC 的许多长处，使其在重要的民用设备如智能大厦、医院、宾馆等以及国防（人防）范畴都具有极好的运用远景。现在这些当地的供电体系均选用以外电为主、柴油发电机组为辅的供电方法。当外电破坏启用柴油发电机组时，因为柴油发电机组存在烟气排放，荫蔽性差、轰动大、噪音高、环保功能差等许多缺陷，更不合适在未来高科技战役中运用。因而，研讨根据 PEMFC 的发电体系可有用运用氢能完成环保，对民用供电和国防建造都有极为严重的含义。
4 结束语
氢能的运用，特别是 PEMFC 作为新一代发电技能，以其特有的高功率和环保性引起了全世界的重视，极具开发和运用价值。跟着 PEMFC 的技能不断进步和本钱逐渐下降，燃料电池将逐渐取得运用，并有力地推进氢能技能的开展。
