质子交换膜燃料机电一体化集成？
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发布时间：2022-04-21 09:40
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时间：2023-09-03 00:49
分别为：
阳极（负极）：
阴极（正极）：
由于质子交换膜只能传导质子，因此氢离子（即质子）可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，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负载需要的燃料电池堆(简称电堆)。 质子交换膜燃料电池具有如下优点：其发电过程不涉及氢氧燃烧，因而不受卡诺循环的*，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，质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源。
通常，质子交换膜燃料电池的运行需要一系列辅助设备与之共同构成发电系统。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、电能变换系统和控制系统等构成。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通过调压阀、加湿器(加湿、升温)后进入电堆，发生反应产生直流电，经稳压、变换后供给负载。电堆工作时，氢气和氧气反应产生的水由阴极过量的氧气(空气)流带出。未反应的(过量的)氢气和氧气流出电堆后，经汽水分离器除水，可经过循环泵重新进入电堆循环使用，在开放空间也可以直接排放到空气中。 为了确保质子交换膜燃料电池电堆的正常工作，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，构成质子交换膜燃料电池发电机。根据不同负载和环境条件，配置氢气和氧气存储系统、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成质子交换膜燃料电池发电站。
通常，质子交换膜燃料电池发电站由质子交换膜燃料电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、电气系统及电站自动控制系统构成。
氢气存储装置为发电机提供氢气，其储量按负荷所需发电量确定。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燃料电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燃料电池应用(如燃料电池电动车)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要的问题，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氢能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、质子交换膜燃料电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氢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燃料电池发电机运行产生的热量，保障电站环境不超温。将质子交换膜燃料电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，实现电热联产联供，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燃料电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。采用质子交换膜燃料电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，因此其电气及变配电系统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换膜燃料电池发电站正常工作、可靠运行而设置的基于计算机参数检测与协*制的自动装置，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，历史数据存储，故障诊断，事故追忆，操作指导，控制保护输出和数据信息管理等，是质子交换膜燃料电池 电站信息化、智能化的核心。 迄今最常用的质子交换膜（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水解、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℃，超过此温度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)某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料电池(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）。在燃料电池系统中，膜的成本几乎占总成本的20%~30%。为尽早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燃料电池示范电站在华南理工建成作为电动汽车的一种，燃料电池汽车被认为是人类解决汽车污染问题以及汽车对石油依赖的最佳和最终方案。这是由于燃料电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比内燃机高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。
除应用于汽车，燃料电池在交通、军事、通讯等领域均具有广阔的应用前景。发达国家均投入巨大的人力物力从事这一技术的研发，国内从事燃料电池的研究单位也多达30多家。
这其中就包括华南理工大学。 为什么要建设一座全球最大的示范电站？廖世军告诉记者：“示范展示是一项新技术走向商业化的必经一步。燃料电池技术的逐级放大，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化；建设示范电站既是为了向公众展示质子交换膜燃料电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到学校的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摄氏度左右，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，燃料电池电站的能源利用率将达到90%。”廖世军介绍。
在示范电站，天然气首先转化成氢气，氢气进入燃料电池发电机组产生电流和热水。
据介绍，由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立方米天然气可生成将近2立方米的氢气，比国内一些同类制氢设施的效率高20%~30%。产生的电量比直接燃烧天然气发电至少高30%，污染物的排放则同比减少60%。燃料电池发电高效率和低排放的优点展露无遗。 燃料电池技术研发数十年，一直未能大范围推广，除存在稳定性、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，国外质子交换膜燃料电池的价格高达每千瓦7万元人民币左右，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，如何有效降低燃料电池成本也一直是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燃料电池成本已降至每千瓦6000~7000元人民币，仅是国际市场价格的1/10。
“与传统发电技术相比，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，燃料电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！
为促进燃料电池的开发利用，我国已经出台补贴*，买一辆燃料电池汽车，直接补贴人民币30万元。另外，燃料电池规模化生产后，成本还有很大的下降空间。同时，许多国家*均表示，一旦燃料电池大范围商业化推广，各地加氢站的建设将不是问题，燃料电池走*民百姓家指日可待。
几年来，除了顺利完成电站的建设之外，华南理工大学在质子交换膜燃料电池的核心技术攻关方面也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、光照下直接涂膜制备膜电极技术、低铂催化剂制备技术、超低铂载量膜电极制备技术等。课题组共申请燃料电池核心技术专利8项，获授权4项，申请国际发明专利1项。
谈到下一步的打算，廖世军表示：“我们将利用广州现代产业技术研究院这一平台开展燃料电池的产业化工作，致力于开发系列燃料电池备用电源、基站通讯电源、家用热电联供系统等系列产品。我们希望进一步降低燃料电池的成本，促进燃料电池技术在广东省的发展和商业化进程。”
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时间：2023-09-03 00:49
质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极、密封圈、和带有导气通道的流场板组成。膜电极是质子交换膜燃料电池的核心部分，中间是一层很薄的膜——质子交换膜，这种膜不传导电子，是氢离子的优良导体，它既作为电解质提供氢离子的通道，又作为隔膜隔离两极反应气体。膜的两边是气体电极，由碳纸和催化剂组成,阳极为氢电极，阴极为氧电极。流场板通常由石墨制成。质子交换膜燃料电池以氢为燃料。多个电池单体根据需要串联或并联，组成不同功率的电池组（电堆）。
2012年以亚南膜电极为核心，参与了国家863计划《燃料电池应急备用电源中试规模的制造及运行》项目的研究开发，项目于2016年顺利通过国家科技部验收，
膜电极是氢燃料电池的核心组件，是燃料电池动力的根本来源，其成本占据燃料电池电堆的70%，占据燃料电池动力系统的35%。
