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什么是 PEM 燃料电池？
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种使用氢气作为燃料，空气中的氧气作为氧化剂的燃料电池。它通过化学反应将氢燃料的化学能转化为电能，唯一的残留副产品是水。PEM 燃料电池以其高效率、快速响应时间和在相对低温下运行的能力而闻名。
PEM 燃料电池如何工作？
氢 PEM 燃料电池的基本工作原理可以通过以下步骤描述：/p>
- 氢气被供应到燃料电池的阳极（负电极）。
- 在阳极，氢分子被分解为单个质子和电子。质子通过质子交换膜（PEM）到达阴极（正电极），而电子通过外部电路流动，产生电流。
- 在阴极，质子、电子和空气中的氧气结合形成水分子。
- 阳极和阴极的化学反应产生电能，可用于为电子设备供电或存储在电池中。
PEM 燃料电池中的总体化学反应可以表示为：
氢气 + 氧气 → 水 + 电能
氢 PEM 燃料电池组件
PEM 燃料电池的主要组件包括：
- 质子交换膜（PEM）：一种薄的、多孔的聚合物膜，允许质子通过，同时阻挡电子。
- 阳极和阴极：发生化学反应的电极。
- 电解质：一种导电物质，通过溶液或固体传导离子，如质子或电子。
- 气体扩散层（GDLs）：多孔材料层，用于将气体（氢气和氧气）分配到电极，并帮助去除反应产生的水。
- 双极板：分离单个燃料电池并提供气体和电流路径的板。
- 集电器：收集和分配燃料电池电流的导电材料。
设计 PEM 燃料电池电堆
燃料电池电堆是一组串联或并联连接的燃料电池，以增加整体功率输出。要从单个 PEM 燃料电池设计 PEM 燃料电池电堆，可以按照以下步骤进行：
- 确定 PEMFC 电堆的所需功率输出和操作条件。这将有助于确定所需的燃料电池数量和尺寸，以及其他组件的设计。
- 收集必要的材料和设备，包括燃料电池、双极板、集电器、PEM 电解槽和其他必要组件。
- 通过交替堆叠燃料电池和双极板将燃料电池组装成电堆。
- 将集电器连接到燃料电池，确保保持正确的极性。
- 将燃料电池电堆连接到必要的电气和气体供应线路，包括氢气和氧气（空气）供应。
- 测试和优化燃料电池电堆，以确保其正常运行并达到所需的性能标准。这涉及调整操作条件、气体流速和其他因素。
为实现所需的 PEM 燃料电池效率、功率输出和其他性能标准，仔细考虑燃料电池电堆的设计非常重要。正确的设计和测试有助于确保燃料电池电堆在其使用寿命内有效且可靠地运行。
示例：PEM 燃料电池电堆
系统设计
PEM 燃料电池系统由燃料电池电堆以及供应燃料和氧气、控制操作条件和管理电力输出所需的额外组件和设备组成。下表列出了生产电力的 PEM 燃料电池系统和生产氢气的 PEM 电解系统的必要构建模块：
| PEM 燃料电池系统（电力生产）的组件 | PEM 电解系统（氢气生产）的组件 |
| 燃料电池电堆 | PEM 电解槽电堆 |
| 氢气供应 | 电力供应 |
| 氧气（空气）供应 | 水供应 |
| 热交换器 | 热交换器 |
| 气体加湿器 | 气体加湿器 |
| 气体混合器 | 气体混合器 |
| 逆变器 | 电解控制器 |
| 电池 | 氢气储存 |
高温 PEM 燃料电池
标准的 PEM 燃料电池设计实际上被称为“LT-PEMFC”，即“低温质子交换膜燃料电池”。虽然在低温下运行是可取的，但这确实需要 99.9% 的高纯度氢气燃料，因此需要复杂的氢气净化设备才能实现这些理想的运行特性。
这最近导致了 HT-PEM 燃料电池的发展，即高温 PEM 燃料电池，其对氢气燃料中的杂质具有更高的耐受性。与 LT-PEM 技术的主要区别在于所使用的膜类型，该膜由耐酸和耐高温的聚合物制成。通常使用聚苯并咪唑（PBI）。它具有吸收磷酸的能力，磷酸用作电解质。因此，HT-PEM 燃料电池技术与磷酸燃料电池（PAFC）设计类似，主要区别在于所使用的膜类型。
因此，HT-PEM 燃料电池可以使用氢气浓度约为 50% 至 75% 的重整气体供电。此外，HT-PEM 技术对一氧化碳浓度的敏感性较低，可以在重整气体中 CO 含量高达 3 Vol% 的情况下运行。
应用场景
PEM 氢燃料电池具有广泛的应用潜力：
- 便携式发电：PEM 燃料电池可用于为便携式电子设备供电，如笔记本电脑和手机。
- 交通运输：氢 PEM 燃料电池可用于为车辆供电，包括汽车、公共汽车、火车和船只。
- 备用电源：PEM 燃料电池可用作家庭、企业和其他基础设施的备用电源。
- 远程供电：PEM 燃料电池设计适用于在未连接到电网的偏远地区作为电源。
PEM 燃料电池性能标准
在评估 PEM 燃料电池的性能时，有四个关键性能标准需要考虑，即功率密度、效率、响应时间和耐久性。
- 功率密度：燃料电池每单位面积可以产生的功率。更高的功率密度意味着燃料电池可以在更小的尺寸内产生更多的功率。
- 效率：燃料的化学能转化为电能的百分比。更高的效率意味着更少的能量以热量或其他副产品的形式损失。PEM 电解槽的效率在这方面非常重要。
- 响应时间：燃料电池在激活后达到其全功率输出所需的时间。更快的响应时间意味着燃料电池可以快速响应需求的变化。
- 耐久性：燃料电池的使用寿命及其随时间保持性能的能力。
如何防止 PEM 燃料电池的退化？
为了防止退化并保持 PEM 燃料电池的高效率，必须考虑以下几个技术要求：
- 操作条件：PEM 燃料电池在特定的温度和湿度范围内运行最佳。保持这些条件对于防止退化和保持效率非常重要。
- 气体纯度：PEM 氢燃料电池需要高纯度的氢气才能有效运行。氢气中的杂质会导致退化和效率降低。
- 水管理：PEM 燃料电池作为化学反应的副产品产生水，适当的水管理对于防止退化和保持效率是必要的。这包括确保燃料电池有足够的水供应并从系统中去除多余的水。
- 膜质量：质子交换膜（PEM）是燃料电池的关键组件，使用高质量的材料并保持适当的处理和存储对于防止退化非常重要。
最后更新：2023 年 2 月 15 日