[科普中国]-质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池( PEMFC)采用可传导离子的聚合膜作为电解质，所以也叫聚合物电解质燃料电池( PEFC)、同体聚合物燃料电池(SPFC)或固体聚合物电解质燃料电池( SPEFC)。

概述燃料电池实际上是一个大的发电系统。对于质子交换膜燃料电池，需要有燃料供应系统、氧化剂系统、发电系统、水管理系统、热管理系统、电力系统以及控制系统等：

质子交换膜燃料电池( PEMFC)采用可传导离子的聚合膜作为电解质，所以也叫聚合物电解质燃料电池( PEFC)、同体聚合物燃料电池(SPFC)或固体聚合物电解质燃料电池( SPEFC)。1

系统组成质子交换膜燃料电池是在电动汽车上最有应用前景的电力能源之一。组成质子交换膜燃料电池的基本单元是单体燃料电池。如前所述，单体电池的电化学电动势大约1 V左右，其电流密度约为100 mA/cm²。因此，一个实用化的质子交换膜燃料电池系统，必须通过单体电池的串联和并联形成具有一定功率的电池组，才能满足绝大多数用电负载的需求。此外，还要为系统配置氢燃料储存单元，空气（氧化剂）供给单元，电池组温度、湿度调节单元，功率变换单元及系统控制单元等，将燃料电池组成为一个连续、稳定的供电电源。

1)燃料电池组（堆），质子交换膜燃料电池的单体电池，其化学电动势为1.0~1.2V，负载时的输出端口电压为0.6~0.8V。为满足负载的额定工作电压，必须将单体电池串联起来构成具有较高电口珀勺电池组。由于受到材料（如质子交换膜等）及工艺水平的限制，目前单体电池的输出电流密度约为300~600mA/cm²，因此，欲提高燃料电池的输出电流能力，只能将若干串联的电池组并联，组成具有较大输出能力的燃料电池堆。由于燃料电池堆是南大量的单体电池串并联而成的，因而，存在着向每个单体电池供给燃料与氧化剂的均匀性和电池组热管理问题。

2)燃料及氧化剂的储存与供给单元。为使质子交换膜燃料电池实现连续稳定的运行发电，必须配置燃料及氧化剂的储存与供给单元，以便不间断地向燃料电池提供电化学反应所需的氢和氧。燃料供给部分由储氢器及减压阀组成；氧化剂供给部分由储氧器、减压阀或空气泵组成。

3)燃料电池湿度与温度调节单元。在质子交换膜燃料电池运行过程中，随着负载功率的变化，电池组内部的工况也要相应改变，以保持电池内部电化学反应的正常进行。对质子交换膜燃料电池运行影响最大的两个因素是电池内部的湿度与温度。因此，在电池系统中需要配置燃料电池湿度与温度调节单元，以便使质子交换膜燃料电池在负荷变化时仍工作在最佳工况下。

4)功率变换单元。质子交换膜燃料电池所产生的电能为直流电，其输出电压因受内阻的影响会随负荷的变化而改变。基于上述原因，为满足大多数负载对交流供电和电压稳定度的要求，在燃料电池系统的输出端需要配置功率变换单元。当负载需要交流供电时，应采用DC/AC变流器；当负载要求直流供电时，也需要用DC/DC变流器实现燃料电池组输出电能的升压与稳压，

5)系统控制单元。由上述四个功能单元的配置和工作要求可知，质子交换膜燃料电池系统是一个涉及电化学、流体力学、热力学、电工学及自动控制等多学科的复杂系统。质子交换膜燃料电池系统在运转过程中，需要调节与控制的物理量和参数非常多，难以手动完成。为使质子交换膜燃料电池系统长时间安全、稳定地发电，必须配置系统控制单元，以实现燃料电池组与各个功能单元的协凋工作。1

优点1、排放生物是水及水蒸气，为零污染。

2、能源转换效率可高达60%~70%。

3、无机械振动，低噪声且低热辐射。

4、氢的热值很高，1KG氢和3.8L汽油的热值相当。1

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学