质子交换膜燃料电池简介
阳极(负极):
阴极(正极):
因为质子交换膜只能传导质子，所以氢离子(质子)可以直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路到达阴极。当电子通过外部电路流向阴极时，就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V，也就是说，每个单体电池的发电电压理论上限为1.23V，负载接通时，输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5-1V之间。输出电压满足实际负载需求的燃料电池堆(简称堆)可以由多个单电池堆叠组合而成。质子交换膜燃料电池具有以下优点:其发电过程不涉及氢氧燃烧，因此不受卡诺循环限制，能量转换率高；发电过程无污染，发电机组模块化，可靠性高，组装维护方便，工作时无噪音。因此，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁高效的绿色电源。
通常情况下，质子交换膜燃料电池的运行需要一系列辅助设备与其共同组成发电系统。质子交换膜燃料电池发电系统由电堆、氢氧供应系统、水热管理系统、电能转换系统和控制系统组成。电堆是发电系统的核心。发电系统运行时，反应气体氢气和氧气分别经过调压阀和加湿器(加湿和加热)后进入电堆，反应产生直流电，经稳压和转换后供给负载。电堆工作时，氢氧反应生成的水被阴极过剩的氧气(空气)流带走。未反应的(过量的)氢气和氧气从电堆中流出，然后被汽水分离器脱水，并可被循环泵回收，或直接排放到开放空间的空气中。为了保证质子交换膜燃料电池电堆的正常运行，通常将电堆、氢氧处理系统、水热管理系统和相应的控制系统机电一体化，形成质子交换膜燃料电池发电机。根据不同的负载和环境条件，配置氢氧储存系统、余热处理系统和电力转换系统，通过机电一体化可以组成质子交换膜燃料电池电站。
一般来说，质子交换膜燃料电池电站由质子交换膜燃料电池发电机、制氢和储氢装置、供气保障系统、氢气安全监测和排放装置、冷却水箱和余热处理系统、电站电气系统和自动控制系统组成。
储氢装置为发电机提供氢气，其储量根据负载所需的发电量确定。储氢方式有气态储氢、液态储氢和固态储氢，相应的储氢材料也有很多，主要由电站的环境条件和技术经济指标决定。储氢是质子交换膜燃料电池电站建设的关键问题之一，储氢方法和储氢材料的选择关系到整个电站的安全性和经济性。供气保障系统对于质子交换膜燃料电池在地面开放空间的应用(如燃料电池电动汽车)来说不是问题，但对于地下工程或封闭空间的应用来说是一个非常重要的问题。进气道如何设置，必须严格论证。氢气安全监测和排放装置是氢气电站特有的问题。由于氢气是最轻的易燃易爆气体，储氢装置、管道、阀门配件、质子交换膜燃料电池电堆以及电堆的预定排空都可能造成氢气泄漏。为了防止电站空间内积聚的氢气浓度超过爆炸极限，需要实时检测、报警和排除排放。氢气安全监测及排放消除装置由氢敏传感器、监测报警器、排风机、管道和氢气消除器等组成。传感器必须安装在电站空间的最高位置。冷却水箱或废热处理系统吸收或处理质子交换膜燃料电池发电机运行产生的热量，以保证电站环境不过热。对质子交换膜燃料电池电站的余热进行再利用，如工程除湿、空调、加热或去污等，可以大大提高燃料的利用效率，具有良好的开发应用前景。根据项目总体供电方式和结构，电气系统对质子交换膜燃料电池发电机产生的电力进行处理后再与电网并联运行或/和直接向负荷供电，涉及潮流、开关设备、拨码盘和继电保护。利用质子交换膜燃料电池电站可以实现工程应急电网的多电源分布式供电模式，因此其电气和配电系统是一个值得深入研究的问题。电厂自动化系统是以计算机参数检测和协调控制为基础，保证质子交换膜燃料电池电厂正常可靠运行的自动化装置。一般应采用分布式控制系统(DCS)或现场总线控制系统(FCS)。主要设备包括现场智能仪表或传感器、变送器、通信总线和控制器，并提供与工程控制中心联网通信的接口。其主要功能包括参数检测、显示、报警、历史数据存储、故障诊断、事故追忆、运行指导、控制和保护输出以及数据信息管理等。它是质子交换膜燃料电池电站信息化和智能化的核心。到目前为止，最常用的质子交换膜仍然是美国杜邦公司的Nafion质子交换膜，它具有质子传导率高，化学稳定性好的优点。PEMFC大多采用Nafion等全氟磺酸膜，国内用于组装PEMFC的PEM主要依赖进口。但Nafion质子交换膜仍然存在以下缺点:(1)制作困难且成本高，全氟物质的合成和磺化非常困难，成膜过程中的水解和磺化容易使聚合物变性降解，成膜困难，导致成本高；(2)对温度和含水量要求较高，Nafion系列膜的最佳工作温度为70 ~ 90℃。如果超过这个温度，Nafion系列膜的含水量和电导率会迅速下降，阻碍了电极反应速度的提高和通过适当提高工作温度来克服催化剂中毒。(3)一些碳氢化合物，如甲醇，具有高渗透性，不适用于直接甲醇燃料电池中的质子交换膜(DMFC)。
Nafion膜的价格约为每平方米600美元，相当于每千瓦120美元(单位电池电压为0.65V)。在燃料电池系统中，膜的成本几乎占总成本的20%~30%。为了尽快实现燃料电池的商业化应用，降低质子交换膜的价格迫在眉睫。加拿大Ballard公司在质子交换膜领域做得非常出色，让人看到了交换膜商业化的希望。根据研究计划，其第三代质子交换膜BAM3G是部分氟化磺酸质子交换膜。其演示寿命已超过4500h，价格降至每立方米50美元，相当于每千瓦10美元(单位电池电压为0.65V)。
世界上最大的质子交换膜燃料电池示范电站在华南理工大学建成。燃料电池汽车作为电动汽车的一种，被认为是解决汽车污染和汽车对石油依赖的最佳和最终解决方案。这是因为燃料电池的化学反应过程不产生有害物质，只排放少量水蒸气，其能量转换效率比内燃机高2~3倍。装有这种电池的汽车只需要像加油一样加满氢气，就可以继续行驶。
除了用于汽车，燃料电池在交通、军事、通讯等领域也有广阔的应用前景。发达国家在这项技术的研发上投入了巨大的人力物力，我国从事燃料电池的研究单位有30多家。
这包括华南理工大学。为什么要建世界最大的示范电站？廖世俊告诉记者:“示范是一项新技术商业化的必要步骤。燃料电池技术的逐步放大涉及到很多难题。只有达到一定的产能论证，技术才能成熟，才能最终商用。建设示范电站不仅是为了向公众展示质子交换膜燃料电池这一新能源技术，也是为了测试这一技术的可行性，了解这一技术存在哪些问题以及如何改进。电站越大，建设难度越大，问题也会越来越明显。”
示范电站可24小时运行，产生的电流可直接输送到学校的380V低压电网。满负荷时能满足电站附近的豪华准五星级酒店——华工国际学术中心的正常运行。“示范电站的副产品热水约50摄氏度，非常适合生活热水。当热和电都得到充分利用时，燃料电池电站的能源利用率将达到90%。”廖世俊介绍道。
在示范电站中，天然气首先转化为氢气，氢气进入燃料电池发电机组产生电流和热水。
据介绍，华南理工大学设计开发的制氢工艺，天然气制氢效率接近2.0，即1立方米天然气可产氢气近2立方米，比国内部分同类制氢装置高出20%~30%。发电量比天然气直接燃烧发电至少高30%，污染物排放同比减少60%。充分展示了燃料电池发电的高效率和低排放的优势。燃料电池技术已经研发了几十年，但是还没有大范围推广。除了稳定性和耐用性的问题，成本高也是商业化的瓶颈。
廖世俊告诉记者，国外质子交换膜燃料电池的价格高达每千瓦7万元。为一辆汽车安装一个50千瓦的电池系统，光伏电池将花费350万元。因此，在技术攻关的同时，如何有效降低燃料电池的成本一直是课题组的重要研究内容。
由于各种新技术的使用，华南理工大学开发的燃料电池成本已降至每千瓦6000~7000人民币，仅为国际市场价格的1/10。
“与传统发电技术相比，这个成本还是高的，但与太阳能等其他新能源相比，就便宜多了。”廖世俊算了一笔账。按照每千瓦6000元计算，燃料电池汽车的成本依然不便宜。但是，相比之下，氢气比汽油便宜多了！
为了促进燃料电池的开发利用，我国出台了补贴政策，购买一辆燃料电池汽车，直接补贴30万元人民币。此外，燃料电池大规模生产后，成本还有很大的下降空间。与此同时，许多政府都表示，一旦燃料电池大规模商业化，各地建设加氢站将不成问题，燃料电池进入寻常百姓家指日可待。
近年来，除了顺利完成电站建设，华南理工大学还在质子交换膜燃料电池关键技术攻关方面取得了一系列重要成果，包括高分散高活性催化剂制备技术、光照下直接涂覆制备膜电极技术、低铂催化剂制备技术、超低铂负载制备膜电极技术等。课题组* * *申请燃料电池核心技术专利8项，授权4项，申请国际发明专利1项。
在谈到下一步工作时，廖世俊表示:“我们将利用广州现代产业技术研究院的平台，开展燃料电池产业化，致力于开发燃料电池备用电源、基站通信电源、户用热电联产系统等系列产品。我们希望进一步降低燃料电池的成本，促进广东省燃料电池技术的发展和商业化。”