燃料電池概述及管狀質子交換膜型燃料電池的現狀
行業科技
作者：王玉芝
【摘要】目前自然能源日益緊缺，環境保護現狀不容忽視，直接甲醇燃料電池（DMFC）以其高效、環保、模塊化、分布性強以及體積小、維護方便等特點而被認為是適應未來社會發展的一種綠色能源，並且越來越受到人們青睞。目前質子交換膜型燃料電池的膜電極製備主要有平板式聚合物電解質膜和圓管式聚合物電解質膜兩種工藝。
【關鍵詞】燃料電池，管狀，膜電極
能源需求和環境保護是21世紀全球麵臨的主要問題。能源是國民經濟發展的動力，也是衡量綜合國力、國家文明程度和人民生活水平的重要指標。當今經濟的發展和人口的增長使得各種環境問題層出不窮，直接或間接影響生態平衡，影響人類的健康和生存，當前環境汙染很大部分是由能源的生產和消費所致，如二氧化碳排放量的75%，二氧化硫排放量的85%，鉛排放量的61%都是化石能源燃燒引起的。開發高效、潔淨、環保的新能源越來越受到世界各國的高度重視。
1燃料電池的概念、曆史和研究意義
燃料電池是一種能量轉換裝置，在結構和能源轉換方式上與一次電池、二次電池相似，都是由陰極、陽極和電解質組成，電子從參與化學反應的陽極經過負載從外電路到陰極，與通過電解質傳遞過來的離子結合，直接將還原劑和氧化劑的化學能轉變為電能；在提供能源的連續性方麵，與火力發電一樣，隻要不斷地供給燃料和氧氣，就能持續不斷地產生電能。當它工作時，需要不間斷地向電池內輸入燃料和氧化劑並同時排出反應產物。從工作方式上看，它類似於常規的汽油或柴油發電機。因此，燃料電池與其它能源轉換方式相比有很多優點： 能量轉換效率高，一般在45%左右，如果在技術加以完善或綜合利用，其效率可望達到60%以上；潔淨、無汙染、噪聲低；模塊結構，可搭建性強，適用於各種功率的要求；體積小，機動性強，維護方便，生產周期短；不需要並網發電，分布性強，適用於邊遠、交通不便地區的供電。
從燃料電池發展的曆史來看，它晚於其他化學電源，早於火力發電，1839年，Grove以鉑帶作為催化劑，以稀硫酸為電解質製作了人類曆史上的第一個燃料電池裝置。由於受蒸氣機、內燃機發展的影響，燃料電池的研究與發展停滯了一個多世紀。如今，燃料電池被認為是鋰離子電池的理想替代產品，已成為世界各國競相開發的高科技項目。
2管狀質子交換膜型燃料電池的現狀
製備管狀燃料電池，要先作出管狀膜電極，全氟磺酸膜本身的柔韌性能滿足管狀的要求。目前還沒有商業化的管狀質子交換膜，同時膜電極的擴散層采用柔韌性差的碳紙，這也阻礙了管狀膜電極的研製。目前對於質子交換膜型燃料電池的膜電極製備主要有下麵兩種工藝。
2.1采用平板式聚合物電解質膜。胡裏清采用在質子交換膜的兩邊塗上催化劑，直接獲得膜電極，不用韌性差的碳紙作為擴散層和催化劑的塗敷層。然後膜電極與不透氣的隔層一起卷成單層或多層卷筒型，隔層與隔層之間有兩層膜電極，在相鄰兩層膜電極中間走燃料或氧化劑，膜電極與外層隔層之間走氧化劑或燃料。膜電極和隔層之間設有氣體擴散載體，金屬引線設在氣體擴散載體上，由此構成卷筒型具有高功率密度的質子交換膜燃料電池。
2.2采用圓管式聚合物電解質膜