SPE水电解池与H2O2型PEM燃料电池比较

２０１３年４月　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｒｅｅｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

绦色科技　

第４期　

ＳＰＥ水电解池与　Ｈ２／Ｏ２　型ＰＥＭ燃料电池比较　

卫国强　，张忠兵　，丁光月　，卫慧凯　，王宇新。　

（１．太原理工大学化学化工学院，山西太原０３００２４；２．中煤集团平朔煤业有限公司，山西朔州０３６００６；　

３，天津大学化工学院，天津３０００７２）　

摘要：对固体聚合物电解质（ＳＰＥ）水电解池与Ｈ　／ｏ　型质子交换膜（ＰＥＭ）燃料电池进行了比较，在指出二　

者相同之处的同时，主要阐述了它们在电化学反应、材料选用以及其他方面的不同之处。　

关键词：固体聚合物电解质；质子交换膜；水电解池；燃料电池　

中图分类号：ＴＭ９１１．４　文献标识码：Ａ　文章编号：ｌ６７４—９９４４（２０１３）０４—０３１０—０３　

１　引言　

质子交换膜（Ｐｒｏｔｏｎ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ，ＰＥＭ）　

燃料电池的发展历史可以追溯到２Ｏ世纪６ｏ年代初美　

国通用电器（ＧＥ）公司为美国航空航天管理局（ＮＡＳＡ）　

研制的空间电源　］，虽然最终用于Ａｐｏｌｌｏ登月飞行的　

电源并不是ＰＥＭ燃料电池而是碱性燃料电池　

口　口　

１．带有流道的双极板；２．密封垫片；３．扩散层；　

４．催化剂层；５．固体聚合物电解质膜（质子交换膜）　

图１　ＳＰＥ水电解池与Ｈ　／ｏ　型ＰＥＭ燃料电池组成　

示意　

（ＡＦＣ）　。固体聚合物电解质（Ｓｏｌｉｄ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　

Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ，ＳＰＥ）水电解技术是在ＰＥＭ燃料电池研制　

的基础上发展起来的，也是由ＧＥ公司于２Ｏ世纪６Ｏ年　

代所开创　’　。在２Ｏ世纪８ｏ年代末期之前，人们在燃　

料电池领域的研究热点主要集中在磷酸燃料电池和碱　

性燃料电池上，而此时ＰＥＭ燃料电池的发展比较缓　

慢，相比之下ＳＰＥ水电解技术发展得要成熟一些，从而　

为ＰＥＭ燃料电池的发展打下坚实的基础；到了２Ｏ世纪　

８Ｏ年代末期特别是在２Ｏ世纪９０年代，由于以军事应　

用为目的的研制与开发，使得ＰＥＭ燃料电池技术取得　

了长足的发展，反过来也极大地促进了ＳＰＥ水电解技　

术的进步　。　

２　ＳＰＥ水电解池与Ｈ：／ｏ：型ＰＥＭ燃料　

电池的共同特点　

ＳＰＥ水电解池与Ｈ。／（）。型ＰＥＭ燃料电池在电池　

组成和结构上几乎完全相同。以单电池（电解池）来讲，　

都是南双极板、扩散层、催化剂层以及固体聚合物电解　

质膜（质子交换膜）等部件构成，如图１所示；其电池（或　

电解池）堆结构也都采用多个单电池串联的压滤式结　

１．端板；２．电池（电解池）组；３．螺母；４．螺栓；５．垫片　

图２　ＳＰＥ水电解池与Ｈ。／（）。型ＰＥＭ燃料电池　

堆结构示意　

构，如图２。此外，两者还有许多共同点，比如电解质都　

是导电的固体聚合物（如Ｎａｔｉｏｎ膜）而非电解质溶液、　

其核心部件都是膜电极（膜和电极的结合体）、膜电极的　

制备工艺也大致相同、电极上发生的都是电化学反　

应等。　

３　ＳＰＥ水电解池与Ｈ：／ｏ：型ＰＥＭ燃料　

电池的差异　

虽然ＳＰＥ水电解池与Ｈ：　（）　型ＰＥＭ燃料电池在　

诸多方面有着共同特点，但二者毕竟是具有不同用途的　

收稿日期：２Ｏｌ３一Ｏ３　１８　

作者简介：卫国强（１９７３一），男，山西运城人，讲师，主要从事可再生能源研究，Ｅｔ前主要研究方向为水电解制氢、燃料电池。　

通讯作者：王宇新（１９６ｏ一），男，天津人，教授，主要从事燃料电池及相关材料、膜分离过程及膜材料、海水淡化新技术等方面的研究。　

３１Ｏ　

卫国强，等：ＳＰＥ水电解池与Ｈ。／Ｏ　型ＰＥＭ燃料电池比较　

装置，因此在电化学反应、材料使用以及其他方面也有　

一

工程技术　

因此ＰＥＭ燃料电池堆（组）一般都配有加湿系统口　，这　

些不同之处，现简述如下。　

在ＳＰＥ水电解池与Ｈ。／ｏ　型ＰＥＭ燃料电池中，　

就增加了ＰＥＭ燃料电池系统的体积和重量，从而降低　

了系统的能量密度。与之相反，由于ＳＰＥ水电解反应　３．１　电化学反应　

物就是纯水，固体聚合物电解质膜一直是浸泡在水中工　

作的，根本不需要加湿系统即可保持饱和湿度，因此　

ＳＰＥ水电解系统可以省去加湿装置，从而使系统变得　

简单　。　

发生的是互为可逆的电化学反应过程，前者使用电能将　

Ｈ　Ｏ电化学分解为Ｈ　和Ｏ　］，后者是将Ｈ　和Ｏ。的　

化学能转变为电能同时生成Ｈ　Ｏ　］。　

３．２双极板材料　

３．７冷却系统　

由于要及时排出燃料电池工作时产生的热量，调节　

燃料电池堆（组）的温度，ＰＥＭ燃料电池系统通常要安　

在双极板的选材上，ＰＥＭ燃料电池可以选用石墨　

板或者石墨树脂复合板ｌ＿】　，但是ＳＰＥ水电解池却不可　

以使用石墨这种含碳材料，因为在较高的阳极电位和氧　

装冷却装置。冷却系统一般包括水泵、热交换器组成的　

气氛围下，碳材料会分解变成二氧化碳而逐渐消耗。目　

主回路和由去离子装置组成的辅助回路＿ｌ　。在ＳＰＥ水　

前，ＳＰＥ水电解池多选用金属钛作为双极板材料　。　

电解系统中，水既是反应剂又是冷却剂，因此可以省去　

３．３扩散层材料　

附加的冷却系统，减小了装置的体积和重量　。　

目前，ＰＥＭ燃料电池主要选用碳纸或碳布作为扩　

３．８商业化障碍　

散层　。但是，ＳＰＥ水电解池的阳极扩散层也不可以　

在商业化的问题上，ＰＥＭ燃料电池除了要解决成　

使用这两种碳材料，理由同上；阴极扩散层由于不存在　

本高的问题外，面临的另一个重要难题就是怎样解决氢　

被氧化的问题，因此可以使用碳纸和碳布这两种材料。　燃料的储存、运输问题以及加氢站等基础设施的建设问　

ＳＰＥ水电解池阳极扩散层一般采用钛网［１　３　Ｊ或者多孔　

题　；而对于ＳＰＥ水电解来说，不但要解决材料成本高　

钛板　“　。　

的问题，而且由于操作过程中电费占设备运行费用很大　

３．４氧电极催化剂　

比例，因此如何获得廉价的电能也是ＳＰＥ水电解大规　

在氧电极催化剂的选用上，一方面由于上述氧化分　

模商业化必须克服的难题之一［２　。　

解的问题，ＳＰＥ水电解氧电极催化剂不可以使用碳载　

的催化剂，如Ｐｔ／Ｃ或ＰｔＲｕ／Ｃ等；另一方面虽然对于　

４结语　

ＰＥＭ燃料电池来说Ｐｔ或者ＰｔＲｕ是比较好的催化剂，　

通过比较可以看出，ＳＰＥ水电解池和Ｈ。／ｏ　型　

但是对于ＳＰＥ水电解来说并不是好的析氧催化剂，因　

ＰＥＭ燃料电池有着诸多的共同特点，同时也存在许多　

为在较高的阳极电位下，Ｒｕ容易被腐蚀，Ｐｔ也会由于　

不同之处。然而，两者之间的相同和相似之处也许更值　

表面生成高阻抗的氧化物而活性降低　。目前，ＳＰＥ　

得关注。因为，在ＳＰＥ水电解池和Ｈ。／ｏ。型ＰＥＭ燃料　

水电解一般使用Ｉｒ　或者ＩｒＯ。　作为析氧催化剂。　

３．５膜电极制备及亲水性　

电池的发展过程中，相关研究工作总是相互促进，相辅　

在膜电极组件的制备工艺中，ＰＥＭ燃料电池的膜　

相成的。因此，从事ＳＰＥ水电解研究的科技工作者必　

须同时关注ＰＥＭ燃料电池的发展，尤其要关注ＰＥＭ　

电极可以先把催化剂涂敷到作为扩散层的碳纸或碳布　

燃料电池在质子交换膜、电催化剂和膜电极研究方面的　

上，然后再和质子交换膜热压到一起形成五合一膜电　

进展，反之亦然。随着研究工作的进展，相信ＳＰＥ水电　

极　］。但是，由于碳纸或碳布不可以用作ＳＰＥ水电解　

解池和Ｈ。／ｏ　型ＰＥＭ燃料电池这两种产品会尽早实　

的阳极扩散层，因此ＳＰＥ水电解的膜电极一般都是把　

现商业化。　

催化剂通过喷涂、化学镀或者转拓的方式和膜结合在一　

起形成三合一的膜电极　］。扩散层（钛网或多孔钛板）　

参考文献：　

通常不和膜电极热压在一起，只是在装配电解池时通过　

［１］王志涛．高温碳质化合物聚合物膜燃料电池及电场辅助制备膜电　

机械作用和膜电极进行电接触。　

极的研究［Ｄ］．天津：天津大学，２００９．　

在ＳＰＥ水电解中，膜电极就是浸泡在水中工作的，　

［２］刘建国，孙公权．燃料电池概述［Ｊ¨＿．物理，２００４，３３（４）：７９～８４．　

水需要到达催化剂层才能被分解，而且固体聚合物电解　

［３］Ｓａｎｇ－－Ｄｏ　Ｈａｒｔ，Ｋｅｅ—Ｂａｅ　Ｐａｒｋ，Ｒａｖｉ　Ｒａｎａ，ｅｔ　ａｉ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　

质膜需要吸收水以求保持含水量，因此ＳＰＥ水电解中　

ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂｙ　ｓｏｌｉｄ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ［Ｊ］．　

的膜电极一般使用亲水性膜电极　］。相反，在ＰＥＭ燃　

Ｉｎｄｉａｎ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００２，４１：２４５—２５３．　

［４］Ｈｏｎｇｃｈａｏ　Ｍａ，Ｃｈａｎｇｐｅｎｇ　Ｌｉｕ，Ｊｉａｎｈｕｉ　Ｌｉａｏ，ｅｔ　ａ１．Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　

料电池中由于要及时排出生成的水以防止电极被淹没，　

ｒｕｈｅｎｉｕｍ　ｏｘｉｄｅ　ｃａｔａｌｙｓｔ　ｆｏｒ　ｅ１ｅｃｔｒ。ｃａｔａ１ｙｔｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎ　ｏｘｙｇｅｎ　

因此在膜电极的制备过程中要添加一些疏水性材料如　

ｅｖｏＩｕｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　ｃａｔａｌｙｓｉｓ　Ａ：ｃｈｅｍｉｃａ１．２００６，　

ＰＴＦＥ以使电极具有一定的疏水性　］。　

２４７：７～１３．　

３．６加湿系统　

［５］卫国强．ＳＰＥ水电解制氢研究［Ｄ］．天津：天津大学，２００９．　

由于ＰＥＭ燃料电池所用的质子交换膜需要一定　

［６］丁福臣，易玉峰．制氢储氢技术［Ｍ］．北京：化学工业出版　

的含水量才可以传导质子，而且一般来说含水量越高质　

社，２００６．　

子传导性越好，因此在ＰＥＭ燃料电池工作时必须保持　

［７］Ａ　Ｍａｒｓｈａｌｌ，Ｂ　Ｂｏｒｒｅｓｅｎ，Ｇ　Ｈａｇｅｎ，ｅｔ　ａ１．Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｂｙ　

ａｄｖａｎｃｅｄ　ｐｒｏｔｏｎ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　ｍｅｍｂｒａｎｅ（ＰＥＭ）ｗａｔｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒｓ－－　

一

定的湿度条件。为了使燃料电池堆（组）内部保持满　

Ｒｅｄｕｃｅｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｂｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．　

意的湿度环境，通常要对供给的氢气和氧气进行加湿，　

Ｅｎｅｒｇｙ，２００７（３２）：４３１～４３６．　

３１１　

２０１３年４月　绿　色科技　

：．．

第４期　

ｔ：●Ｔ：●ｔ　．＋．：。，下　●十　＋，。●Ｔ；．．Ｔ　

［８］曹殿学，王贵领，吕艳卓．燃料电池系统［Ｍ］．北京：北京航空航　

天大学出版社，２００９．　

ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂｙ　ｓｏｌｉｄ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ［Ｊ￣．　

Ｉｎｄｉａｎ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００２（４１）：２４５～２５３．　

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ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ　Ｔｉ　ａｎｄ　Ｃｅ　ａｃｉｄｉｃ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ　Ａｃｔａ，　

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Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ＳＰＥ　Ｗａｔｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ　ａｎｄ　Ｈ２／ｏ，ＰＥＭ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ　

Ｗｅｉ　Ｇｕｏｑｉａｎｇ　，Ｚｈａｎｇ　Ｚｈｏｎｇｂｉｎｇ　，Ｄｉｎｇ　Ｇｕａｎｇｙｕｅ　，Ｗｅｉ　Ｈｕｉｋａｉ　，Ｗａｎｇ　Ｙｕｘｉｎ。　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　

０３００２４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｐｉｎｇｓｈｕｏ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｉｎａ　Ｃｏａｌ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｇｒｏｕｐ，Ｓｈｕｏｚｈｏｕ　０３６００６，　

Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ＇ｉｎｇ，Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｃｏｍｐａｒｅｓ　ｔｈｅ　ｓｏｌｉｄ　ｐｏｌｙｍｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ（ＳＰＥ）ｗａｔｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ　ａｎｄ　Ｈ２／ｏ２　ｐｒｏｔｏｎ　ｅｘｃｈａｎｇｅ　

ｍｅｍｂｒａｎｅ（ＰＥＭ）ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌ，ａｎｄ　ｍａｉｎｌｙ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　ｒｅａｃｔｉｏｎ，ｍａｔｅｒｉａｌ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　

ｏｔｈｅｒ　ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｃｅｌｌｓ　ａｒｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｗｈｉｌｅ　ｃｏｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｉｍｉｌａｒｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅｍ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｏｌｉｄ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ（ＳＰＥ）；Ｐｒｏｔｏｎ　Ｅｘｃｈａｎｇｅ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ（ＰＥＭ）；ｗａｔｅｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｅｒ；ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌ　

”

＋”＋“＋”＋“＋　‘＋“＋”＋“＋‘’＋‘‘、　

沙尘暴天气交通避险常识　

（１）接到沙尘天气预警信息或已经出现沙尘暴天气时，机场、高速公路、铁路等部门要做好　

交通安全防护措施，科学调度，确保交通安全。　

（２）在公路上驾驶机动车遭遇沙尘暴，应低速慢行。能见度太差时，要及时开启大灯、雾灯。　

必要时驶入紧急停车带或在安全的地方停靠，乘客要视情况选择安全的地方躲避。　

（３）轻型机动车在公路上高速行驶中可能会被大风掀翻，所以要在轻型车上放一些重物，但　

必须固定，或者慢速行驶。　

（４）发生沙尘暴时，如果风力过大或能见度低于规定标准，高速公路管理部门应暂时封闭高　

速公路，避免发生交通事故。　

（５）火车行驶途中如果遇到沙尘暴，应减速慢行。当风力较大或能见度很低不宜继续行驶　

时，火车应进站停靠避风，等沙尘暴过后再继续行驶。　

（６）沙尘天气条件下，空中交通管制部门根据机场天气状况合理控制飞行流量，保证进出机　

场航班的安全起降。　

——

摘自湖北林业网　ｉ　

十　

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３１２