质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称 PEMFC)是一种燃料电池，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，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。两 电 极 的 反 应分 别 为 ： 阳 极 (负 极 )： 2H2-4e=4H+ 阴 极 (正 极 )： O2+4e+4H+=2H2O 注 意 所 有 的 电 子 e 都 省 略 了 负 号 上 标 。 由 于 质 子 交 换 膜 只 能 传 导 质 子 ， 因 此 氢 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 )。 电 堆 构 成电 堆 由 多 个 单 体 电 池 以 串 联 方 式 层 叠 组 合 而 成 。 将 双 极 板 与 膜 电 极 三 合 一 组 件(MEA)交 替 叠 合 ， 各 单 体 之 间 嵌 入 密 封 件 ， 经 前 、 后 端 板 压 紧 后 用 螺 杆 紧 固 拴 牢 ， 即 构成 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 电 堆 ， 如 附 图 所 示 。 叠 合 压 紧 时 应 确 保 气 体 主 通 道 对 正 以 便 氢 气和 氧 气 能 顺 利 通 达 每 一 单 电 池 。 电 堆 工 作 时 ， 氢 气 和 氧 气 分 别 由 进 口 引 入 ， 经 电 堆 气 体主 通 道 分 配 至 各 单 电 池 的 双 极 板 ， 经 双 极 板 导 流 均 匀 分 配 至 电 极 ， 通 过 电 极 支 撑 体 与 催化 剂 接 触 进 行 电 化 学 反 应 。 电 堆 核 心电 堆 的 核 心 是 MEA 组 件 和 双 极 板 。 MEA 是 将 两 张 喷 涂 有 Nafion 溶 液 及 Pt 催 化剂 的 碳 纤 维 纸 电 极 分 别 置 于 经 预 处 理 的 质 子 交 换 膜 两 侧 ， 使 催 化 剂 靠 近 质 子 交 换 膜 ， 在一 定 温 度 和 压 力 下 模 压 制 成 。 双 极 板 常 用 石 墨 板 材 料 制 作 ， 具 有 高 密 度 、 高 强 度 ， 无 穿孔 性 漏 气 ， 在 高 压 强 下 无 变 形 ， 导 电 、 导 热 性 能 优 良 ， 与 电 极 相 容 性 好 等 特 点 。 常 用 石墨 双 极 板 厚 度 约 2 3.7mm， 经 铣 床 加 工 成 具 有 一 定 形 状 的 导 流 流 体 槽 及 流 体 通 道 ， 其流 道 设 计 和 加 工 工 艺 与 电 池 性 能 密 切 相 关 。 优 点质 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 限 制 ， 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 。 水 、 热 管 理水 、 热 管 理 是 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 发 电 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 结 对 电 堆 的 稳 定 运 行 都 有 很 大 影 响 ， 这 就 产 生 了 质 子 交 换 膜 燃 料 电 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 纯 水 增 湿 辅 助 系 统 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 燃 料 电 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 气 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 燃 料 电 池 电 堆 工 作 温 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 。 机 电 一 体 化 集 成为 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 协调 控 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 。 应 用 前 景质 子 交 换 膜 燃 料 电 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 子 交 换 膜 燃 料 电 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 燃 料 电 池 便 携 电 源 和 小 型 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 移 动 电源 已 达 到 产 品 化 程 度 ， 中 、 大 功 率 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 发 电 系 统 的 研 究 也 取 得 了 一 定 成果 。 由 于 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 发 电 系 统 有 望 成 为 移 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 燃 料 电 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 燃 料 电 池 发 电 机 电 气 输 出补 偿 与 电 力 变 换 技 术 ， 质 子 交 换 膜 燃 料 电 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 应 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 燃 料 电 池 氢 能 发 电电 热 联 产 联 供 系 统 ， 以 及 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 氢 能 发 电 站 建 设 技 术 等 等 。 采 用 质 子 交 换膜 燃 料 电 池 氢 能 发 电 将 大 大 提 高 重 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 燃 料 电 池 发 电 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 供 电 系 统 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 。 编 辑 本 段 对 燃 料 电 池 的 作 用质 子 交 换 膜 燃 料 电 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 燃 料 电 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 电 流 ， 因 此 质 子 交 换 膜 的 性 能 对 燃 料 电 池 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 。 质 子 交 换 膜迄 今 最 常 用 的 质 子 交 换 膜 （ PEMFC） 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 ， 目 前 PEMFC 大 多 采 用 Nafion 质 子 交 换等 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 23 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 。 落 户 校 园 的 发 电 站近 日 ， 全 球 最 大 的 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 示 范 电 站 落 户 广 州 大 学 城 。 它 由 华 南 理 工大 学 自 己 设 计 、 自 己 建 造 。 据 华 南 理 工 有 关 专 家 介 绍 ， 凭 着 厚 重 的 工 科 基 础 和 多 学 科 优 势 ， 华 南 理 工 大 学 拿 下了 2004 年 粤 港 关 键 领 域 重 点 突 破 项 目 中 这 一 最 大 的 科 技 项 目 。 项 目 立 项 后 ， 学 校 针 对 各 项 关 键 技 术 ， 成 立 了 7 个 课 题 组 ， 分 别 由 廖 世 军 教 授 、夏 建 伟 高 级 工 程 师 、 董 新 法 教 授 、 李 迪 教 授 等 7 位 来 自 不 同 学 科 专 业 的 专 家 负 责 。 课题 组 成 员 克 服 种 种 困 难 ， 经 过 1000 多 个 日 日 夜 夜 的 艰 苦 攻 关 ， 解 决 了 一 个 个 令 行 业 专家 头 痛 的 技 术 难 题 ， 电 站 雏 形 一 步 步 形 成 终 于 ， 这 座 全 球 最 大 的 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 示 范 电 站 选 址 在 华 南 理 工 大 学 大 学 城 校区 。 电 站 占 地 2000 平 方 米 ， 红 墙 蓝 顶 ， 绿 树 掩 映 ， 近 距 离 仅 能 听 到 鼓 风 机 的 声 音 ， 华南 理 工 师 生 几 乎 不 能 察 觉 出 宁 静 的 校 园 平 添 了 一 座 发 电 站 。 电 站 的 示 范 意 义为 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 可 达 2.0 以 上 ，即 1 立 方 米 天 然 气 可 生 成 2 立 方 米 以 上 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 。 使 用 新 技 术 降 低 燃 料 电 池 成 本燃 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 ， 目 前 华 南 理 工 大 学 研 发 的 燃 料 电 池 成 本 已 降 至 每 千 瓦60007000 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 政 策 ， 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 政 府 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 进 平 民 百 姓 家 指 日 可 待 。 据 了 解 ， 示 范 电 站 建 成 后 ， 国 内 外 许 多 专 家 参 观 电 站 后 都 感 叹 不 已 。 英 国 政 府 能 源顾 问 、 著 名 燃 料 电 池 专 家 、 英 国 帝 国 理 工 大 学 教 授 Nigel Brandon 参 观 示 范 电 站 后 说 ：“这 是 一 个 奇 迹 ！ 一 所 大 学 的 课 题 组 能 够 用 如 此 少 的 经 费 完 成 如 此 艰 巨 的 任 务 ， 开 发 出这 么 好 的 大 功 率 燃 料 电 池 系 统 ， 简 直 不 可 思 议 ！ ” 据 介 绍 ， 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 。 ” 编 辑 本 段 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 的 发 展 现 状20 世 纪 60 年 代 ， 美 国 首 先 将 PEMFC 用 于 Gemini 宇 航 飞 行 。 伴 随 着 全 氟 磺 酸 型质 子 交 换 膜 碳 载 铂 催 化 剂 等 关 键 材 料 的 应 用 和 发 展 ， 80 年 代 ， PEMFC 的 研 究 取 得 了突 破 性 进 展 ， 电 池 的 性 能 和 寿 命 大 幅 提 高 ， 电 池 组 的 体 积 比 功 率 和 质 量 比 功 率 分 别 达 到1000W/L、 700W/kg， 超 过 了 DOE 和 PNGV 制 定 的 电 动 车 指 标 。 90 年 代 以 来 ， 基 于质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 高 速 进 步 ， 各 种 以 其 为 动 力 的 电 动 汽 车 相 继 问 世 ， 至 今 全 球 已 有 数百 台 以 PEMFC 为 动 力 的 汽 车 、 潜 艇 、 电 站 在 国 内 外 示 范 运 行 。 表 4-4-1 列 出 了 国 内外 开 发 的 几 种 燃 料 电 池 汽 车 的 主 要 性 能 指 标 ， 性 能 完 全 可 以