氫能與質子交換膜燃料電池
1、序言
為解決能源短缺、環(huán)境污染等問題，開發(fā)清潔、高效的新能源和可再生能源已十分緊迫。氫能因燃燒熱值高、污染小、資源豐富成為新能源的對象，氫燃料電池作為氫能利用的有效手段，已被美國《時代》周刊評為21世紀有重要影響的十大技術之一。

2、氫燃料電池工作原理
燃料電池本質是水電解的“逆”裝置，主要由3部分組成，即陽極、陰極、電解質，如圖1[3]。其陽極為氫電極，陰極為氧電極。通常，陽極和陰極上都含有一定量的催化劑，用來加速電極上發(fā)生的電化學反應。兩極之間是電解質。
以質子交換膜燃料電池（pEMFC）為例，其工作原理如下：
(1)氫氣通過管道或導氣板到達陽極；
(2)在陽極催化劑的作用下，1個氫分子解離為2個氫質子，并釋放出2個電子，陽極反應為：
H2→2H++2e。
(3)在電池的另一端，氧氣（或空氣）通過管道或導氣板到達陰極，在陰極催化劑的作用下，氧分子和氫離子與通過外電路到達陰極的電子發(fā)生反應生成水，陰極反應為：1/2O2+2H++2e→H2O
總的化學反應為：H2+1/2O2＝H2O
電子在外電路形成直流電。因此，只要源源不斷地向燃料電池陽極和陰極供給氫氣和氧氣，就可以向外電路的負載連續(xù)地輸出電能。

3、pEMFC的特點及研發(fā)應用現狀
燃料電池種類較多，pEMFC以其工作溫度低、啟動快、能量密度高、壽命長等優(yōu)點特別適宜作為便攜式電源、機動車電源和中、小型發(fā)電系統。

pEMFC發(fā)電機由本體及其附屬系統構成。本體結構除上述核心單元外，還包括單體電池層疊時為防止汽、水泄漏而設置的密封件，以及壓緊各單體電池所需的緊固件等。附屬系統包括：燃料及氧化劑貯存及其循環(huán)單元，電池濕度、溫度調節(jié)單元，功率變換單元及系統控制單元。

(1)pEMFC作為移動式電源的應用
pEMFC作為移動式電源的應用領域分為兩大類：一是可用作便攜式電源、小型移動電源、車載電源等。適用于特種、通訊、計算機等領域，以滿足應急供電和高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。實際應用是手機電池、筆記本電腦等便攜電子設備、特種背負式通訊電源、衛(wèi)星通訊車載電源等。二是用作自行車、摩托車、汽車等交通工具的動力電源，以滿足環(huán)保對車輛排放的要求。從目前發(fā)展情況看，pEMFC是技術最成熟的電動車動力電源。

國際上，pEMFC研究開發(fā)領域的權威機構是加拿大Ballard能源系統公司。美國H-power公司于1996年研制出世界上第一輛以pEMFC發(fā)電機為動力源的大巴士[5]。近年來，我國對燃料電池電動車的研發(fā)也極為重視，被列入國家重點科技攻關計劃。上海神力公司、富原燃料電池有限公司、清華大學、中科院大連化物所已分別研制出游覽觀光車、中巴車樣車，其性能接近或達到國際先進水平。

(2)pEMFC作為固定式電源的應用
pEMFC除適用于作為交通電源外，也非常適合用于固定式電源。既可與電網系統互聯，用于調峰；也可作為***電源，用作海島、山區(qū)、邊遠地區(qū)、或作為特種（人防）發(fā)供電系統電源。

采用多臺pEMFC發(fā)電機聯網還可構成分散式供電系統。分散式供電系統有很多優(yōu)點：①可省去電網線路及配電調度控制系統；②有利于熱電聯供（由于pEMFC電站無噪聲，可就近安裝，pEMFC發(fā)電所產生的熱可進入供熱系統），可使燃料總利用率高達80%以上；③受戰(zhàn)爭和自然災害等影響比較小，尤其適宜于現代戰(zhàn)爭條件下的主動防護需要；④通過天燃氣、煤氣重整制氫，可利用現有天燃氣、煤氣供氣系統等基礎設施為pEMFC提供燃料；通過再生能源制氫（電解水制氫、太陽能電解制氫、生物制氫）則可形成循環(huán)利用系統（這種循環(huán)系統特別適用于邊遠地區(qū)、人所），使系統建設成本和運行成本降低。國際上普遍認為，隨著燃料電池的推廣應用，發(fā)展分散型電站將是一個趨勢。

(3)氫能電源的特種應用前景
隨著現代科學技術的迅速發(fā)展及其在特種領域的廣泛應用，以數字化技術為核心的新興信息技術將滲透到戰(zhàn)場的各個領域，從偵察、監(jiān)視到預警，從通信、指揮到控制，從武器裝備的自動化、精確特種和智能化到各種電子戰(zhàn)手段，信息技術裝備已經成為覆蓋整個戰(zhàn)場的、決定戰(zhàn)爭勝負的重要因素，它不僅構成總體特種的“神經系統”，而且成為總體特種能力的“倍增器”。電源作為信息技術裝備的命脈，能否連續(xù)、可靠、安全、靈活地供電是至關重要的，它是信息技術裝備密不可分的一部分。

由于pEMFC發(fā)電機工作溫度低，紅外輻射少，無震動，沒有噪音，因此特別適合用作為現代特種電源。1998年8月，美國特種部在向國會特種委員會呈遞的報告中指出：移動電力是永久性防御設施最基本的五大要素之一；燃料電池發(fā)電技術替代常規(guī)發(fā)電裝置的迅速演變，給未來發(fā)電系統采用氫氣作為主燃料開辟了道路；由于能量轉換效率（超過60%）很高，操作維護極為簡單，燃料電池發(fā)電機使氫能源作為主燃料的應用極為可靠而高效。因此，把特種燃料改為氫，將獲得更加高效可靠的發(fā)電系統、更低的排放、更低的噪音、極大地減小熱輻射和紅外成像，便于偽裝和隱蔽特種。

pEMFC發(fā)電機的諸多優(yōu)越性能，使其在特種航天及超級移動設備、水下特種、特種工程、通訊工程、車輛動力電源、特種和部（分）隊便攜電源、邊遠地區(qū)、海防哨所以及人防工程中都具有極好的應用前景。早在1960年代，美國特種航天局（NASA）就與通用電氣公司（GE）聯合開發(fā)pEMFC發(fā)電機，并多次用于雙子星座衛(wèi)星計劃的飛行，特別是1968年采用Nafion膜后在發(fā)射的生物衛(wèi)星上使用pEMFC發(fā)電機，其壽命在實驗室已達57000h。后來，NASA又與Hamilton標準公司合作研制RFC（再生燃料電池）系統，目的是配合太陽能發(fā)電系統組成用于火星探測飛行器或月球基地的動力電源（太陽能電解水裝置功率35kW，pEMFC發(fā)電機功率25kW）。美國空軍也與Treadwell公司簽訂協議研究用于衛(wèi)星的RFC系統（pEMFC功率12kW，電壓28V）。

在超級移動裝備（EMU）應用方面，NASA與EpSI公司合作開發(fā)采用金屬氫化物儲氫的200Wh和1500Wh能量的pEMFC系統，以替代現有裝備中采用的可充電電池，可有效提高能量儲存密度和一次性充能能量以及循環(huán)壽命、充能速度。

pEMFC在特種領域的一個重大用途是作為海軍艦艇的動力電源。pEMFC發(fā)電機作為特種不依賴于空氣的推進動力（AIp）源與斯特林發(fā)動機和閉式循環(huán)柴油機相比，具有效率高、噪音低和紅外輻射小等優(yōu)點，在攜帶相同重量或體積的燃料氣時，特種續(xù)航能力最強（大約為斯特林發(fā)動機的2倍），且沒有污染，因此pEMFC是特種AIp系統的最佳選擇。德國從1980年（也是世界上最早）開始研究基于pEMFC發(fā)電機的特種，目前德國已能生產212、214型號的基于pEMFC發(fā)電機的特種。而美國海軍與Ap公司合作開始研制以柴油重整制氫為氫源的pEMFC發(fā)電機，還與Treadwell公司合作設計并制造了用于水下探測器的pEMFC電源。

pEMFC的諸多優(yōu)點，使其在重要的民用設施如智能大廈、醫(yī)院、賓館等以及特種（人防）領域都具有極好的應用前景。目前這些地方的供電系統均采用以外電為主、柴油發(fā)電機組為輔的供電方式。當外電毀壞啟用柴油發(fā)電機組時，由于柴油發(fā)電機組存在煙氣排放，隱蔽性差、震動大、噪音高、環(huán)保性能差等許多缺點，更不適合在未來高科技戰(zhàn)爭中使用。因此，研究基于pEMFC的發(fā)電系統可有效利用氫能實現環(huán)保，對民用供電和特種建設都有極為重大的意義。

4、結束語
氫能的利用，特別是pEMFC作為新一代發(fā)電技術，以其特有的高效率和環(huán)保性引起了全世界的關注，極具開發(fā)和利用價值。隨著pEMFC的技術不斷提高和成本逐步降低，燃料電池將逐步獲得應用，并有力地推動氫能技術的發(fā)展。