燃料电池技术的研究现状及展望

　　摘

 要：介绍了质子交换膜燃料电池（PEMFC）的结构、原理、特点及应用情况，重点阐

述了

PEMFC 的研究现状，在此基础上探讨了 PEMFC 的发展趋势。  

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　　关键词：质子交换膜燃料电池；双极板；电极；催化剂

 

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1 质子交换膜燃料电池的结构及原理  

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　　按照电解质的不同可将燃料电池分为磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固体氧化物燃料电
池、熔融碳酸盐燃料电池及质子交换膜燃料电池（

PEMFC）等五类。PEMFC 单电池由质子

交换膜、气体扩散电极、双极板等构成，图

1 是其结构与工作原理示意图。  

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PEMFC 的基本工作过程如下：  

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1）氢气通过双极板上的导气通道到达电池的阳极，氢分子在催化剂的作用下解离形

成氢离子和电子；

 

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　　（

2）氢离子以水合质子 H

�+（xH�2O）的形式通过电解质膜到达阴极，电子在阳极

侧积累；

 

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　　（

3）氧气通过双极板到达阴极后，氧分子在催化剂的作用下变成氧离子，阴、阳极间

形成一个电势差；

 

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　　（

4）阳极和阴极通过外电路连接起来，在阳极积聚的电子就会通过外电路到达阴极，

形成电流，对负载做功。同时，在阴极侧反应生成水；

 

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　　（

5）只要持续不断地提供反应气体，PEMFC 就可以连续工作，对外提供电能。  

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2 质子交换膜燃料电池的特点  

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　　（

1）高效率。PEMFC 以电化学方式进行能量转换，不存在燃烧过程，不受卡诺循环限

制，其理论热效率可达

85-90%，目前的实际效率大约是内燃机的两倍。传统动力源为了提

高效率必须将负荷限制在很小范围内，而

PEMFC 几乎在全部负荷范围内均有很高效率。  

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　　（

2）模块化。PEMFC 在结构上具有模块化的特点，可根据不同动力需求组合安装，采

用

“搭积木”式的设计方法简化了不同规模电堆的设计制造过程。  

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　　（

3）高可靠性。由于 PEMFC 电堆采用模块化的设计方法，结构简单，易于维护。一旦

某个单电池发生故障，可自动采取适当屏蔽措施，只会使系统输出功率略有下降，而不会
导致整个动力系统的瘫痪。

 

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　　（

4）燃料多样性。PEMFC 动力系统既可以纯氢为燃料，也可以重整气为燃料。氢气的

来源可以是电解水的产物，也可以是对汽油、柴油、二甲醚等化石类燃料重整的产物。氢气的
存储方式可以是高压气罐、液氢、金属氢化物等。

 

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　　（

5）环境友好。当采用纯氢为燃料时，PEMFC 的唯一产物是水，可以做到零排放。以

重整气为燃料时，相对于内燃机而言，排放也极大降低。此外，

PEMFC 噪声水平也很低，

各结构部件均可回收利用。

 

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3 研究现状  

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3.1 关键部件  

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　　电解质膜、双极板、催化剂及气体扩散电极是质子交换膜燃料电池的四大关键部件。

 

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