燃料电池的种类

一、质子交换膜燃料电池（PEMFC）

该技术是General Electric公司在20世纪50年代发明的，被NASA用来为其Gemini空间项目提供动力。目前这种燃料电池是汽车公司最喜欢使用的一类燃料电池，用来取代原来使用的内燃机。质子交换膜燃料电池有时也叫聚合物电解质膜，或固态聚合物电解质膜，或聚合物电解质膜燃料电池。 下图显示了质子交换膜燃料电池的基本设计。


在质子交换膜燃料电池中，电解质是一片薄的聚合物膜，例如聚[全氟磺]酸（poly[perfluorosulphonic]acid），和质子能够渗透但不导电的NafionTM ，而电极基本由碳组成。氢流入燃料电池到达阳极，裂解成氢离子（质子）和电子。氢离子通过电解质渗透到阴极，而电子通过外部网路流动，提供电力。以空气形式存在的氧供应到阴极，与电子和氢离子结合形成水。在电极上的这些反应如下：
质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质,无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的最佳驱动电源。它已成功地用于载人的公共汽车和奔驰轿车上。 
   质子交换膜燃料电池的工作原理如下：
阳极：2H2 → 4H+ + 4e- 
      阴极：O2 + 4H+ + 4e- → 2 H2O
       整体：2H2 + O2 → 2 H2O + 能量 

    燃料电池工程中心制备和小批量生产PEMFC的Pt/C 、Pt-Ru/C电催化剂、电极、膜电极三合一(EMAS)和电池双极板等关键组件；研制和生产各种规格的电池组；进行PEMFC 电动车装车试验并研制以PEMFC为动力的电动车发动机。已掌握了一系列PEMFC 的关键技术，申请了十四项国家发明专利。成功地研制出100W ～5KW的各种规格的电池组, 电池额定输出功率密度≥0.35W/cm2 。目前千瓦级PEMFC技术已经成熟具备了商业开发的条件，同时在质子交换膜燃料电池氢源开发方面取得了重大进展。
　　质子交换膜燃料电池的工作温度约为80℃。在这样的低温下，电化学反应能正常地缓慢进行，通常用每个电极上的一层薄的白金进行催化。
　　这种电极/电解质装置通常称做膜电极装配（MEA），将其夹在二个场流板中间便能构成燃料电池。这二个板上都有沟槽，将燃料引导到电极上，也能通过膜电极装配导电。每个电池能产生约0.7伏的电，足够供一个照明灯泡使用。驱动一辆汽车则需要约300伏的电力。为了得到更高的电压，将多个单个的电池串联起来便可形成人们称做的燃料电池存储器。
   由于 PEMFC 使用湿润化 Nafion 型高分子膜作为电解质层，因此操作温度必须控制在 100 ℃ 以下，此种低温条件使电极中的白金触媒对 CO 的抵抗力减弱，造成燃料气体中的 CO 浓度需要严格的限制。然而 Nafion 膜的质子传输效率极佳，因而可提高反应使用的电流密度，再加上低温与非腐蚀性的特性，使得此种电池具有重量轻、体积小、激活快与机组材料选择性大等各项优点。
　  也因为前述的各特性，PEMFC 目前正积极应用于车辆动力系统、现场型发电机组与小型携带式电力装置上。前两种应用，因需考虑燃料处理设备导致系统较为复杂，且须与造价较低的传统技术竞争，故短期内尚无法商业化。但在小型携带电力方面，如笔记型计算机、无线电话、摄录像机等大多采用高价值的镍氢或锂电池的部分，PEMFC 则有机会与之竞争。


    质子交换膜燃料电池拥有许多特点，因此成为汽车和家庭应用的理想能源，它可代替充电电池。它能在较低的温度下工作，因此能在严寒条件下迅速启动。其电力密度较高，因此其体积相对较小。此外，这种电池的工作效率很高，能获得40-50%的最高理论电压，而且能快速地根据用电的需求而改变其输出。 　　目前，能产生50kW电力的示范装置业已在使用，能产生高达250 kW的装置也正在开发。当然，要想使该技术得到广泛应用，仍然还有一系列的问题尚待解决。其中最主要的问题是制造成本，因为膜材料和催化剂均十分昂贵。不过人们进行的研究正在不断地降低成本，一旦能够大规模生产，比价的经济效益将会充分显示出来。 　　
    另一个大问题是这种电池需要纯净的氢方能工作，因为它们极易受到一氧化碳和其它杂质的污染。这主要是因为它们在低温条件下工作时，必需使用高敏感的催化剂。当它们与能在较高温度下工作的膜一起工作时，必须产生更易耐受的催化剂系统才能工作。