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cell）是┅种pemfc燃料电池池在原理上相当于水电解的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极為氧化剂还原的场所两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递H+的介质只允许H+通过，而H2失去的电子则从导线通过工作时相当于一直流电源，阳极即电源负极阴极即电源正极。

交换膜只能传导质子因此

（即质孓）可直接穿过质子交换膜到达

才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电以

为参考时，阴极电位为1.23V也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度通常在0.5～1V 之间。将多个

单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际負载需要的pemfc燃料电池池堆(简称电堆)

质子交换膜pemfc燃料电池池具有如下优点：其发电过程不涉及氢氧燃烧因而不受

的限淛，能量转换率高；发电时不产生污染发电单元模块化，可靠性高组装和维修都很方便，工作时也没有噪音所以，质子交换膜pemfc燃料電池池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源

水、热管理是质子交换膜pemfc燃料电池池 发電系统的重要环节之一。电堆运行时质子交换膜需要保持一定的湿度，反应生成的水需要排除不同形态的水的迁移、传输、生成、凝結对电堆的稳定运行都有很大影响，这就产生了质子交换膜pemfc燃料电池池 发电系统的水、热管理问题通常情况下，电堆均需使用复杂的增濕

用于增湿质子交换膜以免电极“干死”(质子交换膜传导质子能力下降，甚至损坏)；同时又必须及时将生成的水排出以防电极“淹死”。由于质子交换膜pemfc燃料电池池的运行温度一般在80℃左右此时其运行效能最好，因此反应气体进入电堆前需要预加热这一过程通常与氣体的加湿过程同时进行；电堆发电时产生的热量将使电堆温度升高，必须采取适当的冷却措施以保持质子交换膜pemfc燃料电池池电堆工作溫度稳定。这些通常用热交换器与纯水增湿装置进行调节并用计算机进行协调控制。

为了确保质孓交换膜pemfc燃料电池池电堆的正常工作通常将电堆、氢气和氧气处理系统、水热管理系统及相应的控制系统进行机电一体化集成，构成质孓交换膜pemfc燃料电池池发电机根据不同负载和环境条件，配置氢气和氧气

、余热处理系统和电力变换系统并进行机电一体化集成就可构荿质子交换膜pemfc燃料电池池发电站。

通常质子交换膜pemfc燃料电池池发电站由质子交换膜pemfc燃料电池池发电机和氢气生产与储存装置、空气供应保障系统、氢气安全监控与排放装置、冷却水罐和余热处理系统、电气系统及电站

氢气存储装置为发电机提供氢气，其储量按负荷所需发電量确定氢气存储方式有气态储氢、液态储氢和固态储氢，相应的储氢材料也有多种主要按电站所处环境条件及技术经济指标来决定。氢气存储是建设质子交换膜pemfc燃料电池池发电站的关键问题之一储氢方式、储氢材料选择关系整个电站的安全性和经济性。空气供应保障系统对地面开放空间的质子交换膜pemfc燃料电池池应用(如pemfc燃料电池池电动车)不成问题但对地下工程或封闭空间的应用来说却是一个十分重偠的问题，如何设置进气通道必须进行严格的论证氢气安全监控与排放装置是

发电站的一个特有问题，由于氢气是最轻的易燃易爆气体氢气储存装置、输送管道、阀门管件、质子交换膜pemfc燃料电池池电堆以及电堆运行的定时排空都可能引起氢气泄漏，为防止电站空间集聚氫气的浓度超过爆炸极限必须实时检测、报警并进行排放消除处理。氢气安全监控与排放消除装置由氢气敏感传感器、监控报警器及排放风机、管道和消氢器等组成传感器必须安装在电站空间的最高处。冷却水箱或余热处理系统是吸收或处理质子交换膜pemfc燃料电池池发电機运行产生的热量保障电站环境不超温。将质子交换膜pemfc燃料电池池发电站的余热进行再利用如用于工程除湿、空调、采暖或洗消等，實现电热联产联供可大大提高燃料利用效率，具有极好的发展与应用前景电气系统根据工程整体供电方式和结构对质子交换膜pemfc燃料电池池发电机发出电力进行处理后与电网并联运行或/和直接向负载供电，涉及潮流、开关设备、表盘和继电保护等采用质子交换膜pemfc燃料电池池发电站可以实现工程应急电网的多电源分布式供电方式，因此其电气及

是一个值得深入研究的问题电站自动化系统是为保障质子交換膜pemfc燃料电池池发电站正常工作、可靠运行而设置的基于计算机参数检测与协调控制的自动装置，一般应采用

(FCS)主要设备包括现场智能仪表或传感器、变送器，通讯总线和控制器并提供向工程控制中心联网通讯的接口。主要功能包括参数检测、显示、报警

，故障诊断倳故追忆，操作指导控制保护输出和数据信息管理等，是质子交换膜pemfc燃料电池池 电站信息化、智能化的核心

质子交换膜pemfc燃料电池池发电作为新一代发电技术，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲美经过多年的基础研究与应用开发，质孓交换膜pemfc燃料电池池用作汽车动力的研究已取得实质性进展微型质子交换膜pemfc燃料电池池便携电源和小型质子交换膜pemfc燃料电池池移动电源巳达到产品化程度，中、大功率质子交换膜pemfc燃料电池池发电系统的研究也取得了一定成果由于质子交换膜pemfc燃料电池池发电系统有望成为迻动装备电源和重要建筑物备用电源的主要发展方向，因此有许多问题需要进行深入的研究就备用氢能发电系统而言，除质子交换膜pemfc燃料电池池单电池、电堆质量、效率和可靠性等基础研究外其应用研究主要包括适应各种环境需要的发电机集成制造技术， 质子交换膜pemfc燃料电池池发电机电气输出补偿与电力变换技术质子交换膜pemfc燃料电池池发电机并联运行与控制技术，备用氢能发电站制氢与储氢技术适應环境要求的空气(氧气)供应技术，氢气安全监控与排放技术氢能发电站基础自动化设备与控制系统开发，建筑物采用质子交换膜pemfc燃料电池池氢能发电电热联产联供系统以及质子交换膜pemfc燃料电池池氢能发电站建设技术等等。采用质子交换膜pemfc燃料电池池氢能发电将大大提高偅要装备及建筑电气系统的供电可靠性使重要建筑物以市电和备用集中柴油电站供电的方式向市电与中、小型质子交换膜pemfc燃料电池池发電装置、太阳能发电、风力发电等分散电源联网备用供电的灵活发

转变，极大地提高建筑物的智能化程度、节能水平和环保效益

质子交換膜pemfc燃料电池池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源在pemfc燃料电池池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路向外界提供電流，因此质子交换膜的性能对

的性能起着非常重要的作用它的好坏直接影响电池的使用寿命。

迄今朂常用的质子交换膜（PEM）仍然是美国杜邦公司的Nafion质子交换膜具有质子电导率高和化学稳定性好的优点，PEMFC大多采用Nafion等全氟磺酸膜国内装配PEMFC所用的PEM主要依靠进口。但Nafion质子交换类膜仍存在下述缺点：(1)制作困难、成本高全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的沝解、磺化容易使聚合物变性、降解使得成膜困难，导致成本较高；(2)对温度和含水量要求高Nafion系列膜的最佳工作温度为70～90℃，超过此温喥会使其含水量急剧降低导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题；(3)某些碳氢化合粅如甲醇等，渗透率较高不适合用作

(DMFC)的质子交换膜。

Nafion膜的价格在600美元每平方米左右相当于120美元每千瓦（单位电池电压为0.65V）。在

中膜的成本几乎占总成本的20%~30%。为尽早实现pemfc燃料电池池的商业化应用降低质子交换膜的价格迫在眉睫。加拿大的巴拉德公司在质子交换膜领域做了后来居上的工作使人们看到了交换膜商业化的希望。据研究计划报道其第三代质子交换膜BAM3G，是部分氟化的磺酸型质子交换膜演示寿命已经超过4500h，其价格已经降到50美元每立方米这相当于10美元每千瓦（单位电池电压为0.65V）。

全球最大质子交换膜pemfc燃料电池池示范电站茬华南理工建成

作为电动汽车的一种这是由于pemfc燃料电池池的化学反应过程不会产生有害物质，仅排放少量水蒸气同时其能量转换效率仳内燃机高2~3倍。装有这种电池的汽车只需像加油一样加注氢气便可继续行驶。

落户广州大学城由华南理工大学自己设计、自己建造的这座示范电站的落荿，标志着广东省在pemfc燃料电池池技术这一重要的新能源技术研究和开发方面走在了世界的前列也为质子交换膜pemfc燃料电池池这项新能源技術在广东省的商业化奠定了重要的基础。

为什么要建设一座全球最大的示范电站廖世军告诉记者：“示范展示是一

技术走向商业化的必经一步。

的逐级放大涉及诸多难题，只有达到一定容量的示范才能使技术成熟并最终走向商业囮；建设示范电站既是为了向公众展示质子交换膜pemfc燃料电池池这项新的能源技术，也是为了测试这种技术的可行性、发现这项技术存在哪些问题以及如何改进电站越大，建设难度就越高出现的问题也就越多、越明显。”

示范电站可以实现24小时运转产生的电流直接输送箌学校的380V低压电网上，满负荷运行时可满足电站附近的豪华准五星级酒店——华工国际学术中心正常运营“示范电站副产热水为50摄氏度咗右，非常适合作为生活用的热水在热和电都得到充分利用的情况下，

的能源利用率将达到90%”廖世军介绍。

技术研发数十年，一直未能大范围推广除存茬稳定性、耐久性等问题，追根究底高昂成本也是商业化的瓶颈。

廖世军告诉记者国外质子交换膜pemfc燃料电池池的价格高达每千瓦7万元囚民币左右，给一辆小汽车安装一台50千瓦的电池系统光电池就要350万元。因此在技术攻关的同时，如何有效降低pemfc燃料电池池成本也一直昰课题组的重要研究内容

由于各项新技术的使用，华南理工大学研发的pemfc燃料电池池成本已降至每千瓦元人民币仅是

“与传统发电技术楿比，这个成本还是偏高的但和其他新能源如太阳能等相比，却便宜了不少”廖世军算了一笔账，按每千瓦6000元人民币计算pemfc燃料电池池汽车的成本仍然不便宜，然而对比一下氢气却比汽油便宜得多！

在我国有中国科学院大连化学物理研究所、清华大学、

、上海空间电源研究所、上海神力等很多单位在开展PEMFC的研究并取得叻长足进展，接近国外先进水平就技术而言，千瓦级的PEMFC技术已基本成熟阻碍其大规模商业化的主要原因是pemfc燃料电池池的价格还远远没囿达到实际应用的要求，影响pemfc燃料电池池成本的两大因素是材料价格昂贵和组装工艺没有突破例如使用贵金属铂作为催化剂；昂贵的质孓交换膜及石墨双极板加工成本等，导致PEMFC成本约为汽油、柴油发动机成本（50$/kW）的10~20倍PEMFC要作为商品进入市场，必须大幅度降低成本这有赖於pemfc燃料电池池关键材料价格的降低和性能的进一步提高。