质子交换膜燃料电池及其优势、反应原理分析

质子交换膜燃料电池，也称为固体聚合物电解质燃料电池，最早是由美国通用电气公司在20世纪60年代开发的，为了用在美国航天局第一个载人航天器上^[1]。这种类型的燃料电池主要依赖于一种特殊的聚合物膜，在它表面涂有高度分散的催化剂颗粒。如图2-1所示，氢气被输送到膜的阳极一侧（可能高于大气压力），在那里催化剂使氢原子释放它们的电子，成为氢离子H⁺（质子）：

2H₂→4H⁺+4e^- （2-1）

质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）只允许离子H+穿过它，而电子被外部电路收集，形成可使用的电流（做有效功），然后再到达阴极。在阴极那里，电子与扩散通过交换膜的氢离子和氧气（通常来自于空气）结合起来，形成水。在这个反应中，能量以热的形式释放出来：

4e^-+4H⁺+O₂→2H₂O （2-2）

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图2-1　在质子交换膜燃料电池里的电化学反应

注：出自Na，W.Dynamicmodeling，controlandoptimizationofPEMfuelcellsystemforautomotiveandpowersystemapplications，PhD thesis，The University of Texas at Arlington，2008.许可使用。

水这种反应副产品必须被清除，以防止电池被水淹没而无法正常工作（更多细节以后再谈）。此外，任何未使用的氢气和氧气（空气）都分别通过电池阳极和阴极出口排放出去，如图2-1所示。为了使这种反应能持续进行下去，在阳极产生的电子必须通过燃料电池的一个外部电路流动，而质子必须通过质子交换膜流动。

单个燃料电池反应产生约0.7V的输出电压。一般的应用需要把几个电池串联起来，形成一个燃料电池堆，彼此电压相加得到所需的电压。质子交换膜燃料电池所需的工作温度只有50～100℃，它能够快速启动工作。因此，这种燃料电池对运输应用特别有吸引力。因其高功率密度、固体电解质、电池“堆”寿命长和低腐蚀，它也可以用做小型或中型分布式发电机。其他的优势还包括清洁的副产品（当用氢气做燃料时得到纯净水，这意味着“零排放”），通常超过40%的发电效率和能安静地工作^[3]。因此，质子交换膜燃料电池可以为以下用途供电：汽车、飞机（做辅助电源）、家庭和小型办公室，以及便携式电子设备（作为充电电池的替换件）。