pem的工作原理

莊沒有納入電網覆蓋范圍。不僅如此，通往城鄉的電力供應仍舊不穩定。因此，柴油發電機被大范圍地應用于分散式供電。柴油發電機（圖 1 左）雖然價格低廉，但普遍效率低下，同時會對周邊環境和居民的健康帶來潛在危害。

圖 1. 左圖：為印度的電信塔供電的柴油發電機。右圖：PEM 燃料電池。

為解決這一難題，印度國家化學實驗室（National Chemistry Laboratory， 簡稱 NCL）聯合印度科學與工業研究理事會（Council of Scientific and Indus-trial Research，簡稱 CSIR）下屬的兩所實驗室——中央電化學研究所（Central Electrochemical Research Institute，簡稱 CECRI）和國家物理實驗室（National Physical Laboratory，簡稱 NPL），著手研究清潔、高效、可靠的發電技術為電信塔供電，并期望最終能夠為建筑物提供能源。

質子交換膜燃料電池（proton ex-change membrane fuel cell，簡稱 PEM 燃料電池或 PEMFC，見圖 1）是一種兼顧了成本和污染問題的理想解決方案。如今許多應用中都能看到 PEM 燃料電池的身影，它正逐步替代傳統的電力技術。燃料電池的優勢明顯：碳排量小、噪音低、燃料兼容性強，與其他可再生能源解決方案具有良好的互補性，因此適用于交通運輸、住宅樓、辦公室以及一些工業領域。PEM 燃料電池系統的總轉換效率超過 30％（柴油發電機約為 22%~25%），當使用純氫氣發電時，排放物只有水蒸氣。

PEM 燃料電池的工作原理

PEM 燃料電池中包含一個膜電極組件（membrane electrode assembly，簡稱 MEA），由氣體擴散層、電極和聚合物電解質膜構成。在 MEA 內發生電化學反應，產生電能。

在單個 PEM 燃料電池中，氫氣流向組件的陽極，在陽極催化劑的作用下分解為質子和電子。電子在通過電極中的碳納米顆粒網絡傳導至另一側的陰極之前，會先輸出電流，為設備提供電能。與此同時，質子穿過質子交換膜到達陰極，空氣中的氧氣通過 MEA 中的氣體擴散層（gas diffusion layer，簡稱 GDL）到達陰極（圖 2）。

圖 2. PEM 燃料電池的概念圖。氫氣進入陽極，在陽極催化劑的活性位點上發生反應， 分解成質子和電子。電子經過有負載的外電路傳導到陰極，質子穿過質子交換膜中的電解質遷移到陰極。PEM 由可傳導質子但不傳導電子的固體聚合物制成。圖注： Recycling – 循環； Heat – 熱； Fuel – 燃料； Anode – 陽極； Cathode – 陰極； O2 from Air – 空氣中的氧氣；Air and Water Vapor – 空氣和水蒸汽；Hydrogen – 氫；Oxygen – 氧；Proton –質子；Electron – 電子；Gas Diffusion Layer – 氣體擴散層；Catalyst – 催化劑； Proton Exchange Membrane – 質子交換膜

在陰極催化劑的活性位點上，質子與氧氣及電子反應生成水；副產物只有水和熱量。多個單體電池相互串聯，便組成了 PEM 燃料電池堆（圖 3）。

圖 3. PEM 燃料電池堆的示例，它包含多層重復單元。圖注：ElectroPhen Biopolar Plate – 雙極板；Membrane Electrode Assembly – 膜電極組件；Gas Flow Channels – 氣體流道；Repeat Unit – 重復單元

燃料電池的輸出功率和效率取決于多種因素，其中包括：陽極和陰極活性層的催化活性、電極將氣體擴散電極中的液態水輸送至外部的能力、碳網絡的電導率和孔隙率、反應氣體流向催化劑的傳輸過程、PEM 的質子電導率以及雙極板的電導率。

尋找最高效的配置

為印度的電信塔選擇 PEM 燃料電池的關鍵在于找到轉化效率最高的最優結構。眾所周知，對一個設計因素進行優化時，可能會降低另一個因素的效率。舉例來說，增加氣體擴散層的孔隙率更有利于氫氣和空氣自由地進入、水分自由地離開，但可能會降低電導率。

由 NCL 項目的首席科學家 Ashish Lele 博士領銜的專業團隊針對不同的配置進行了模擬和分析，力求為印度電信塔使用的 PEM 燃料電池尋找最優性能組合。他表示：“我們希望進一步了解碳電極中發生的反應，研究電極中的反應氣體和質子的傳輸過程如何影響總反應速率。我們的最終目標是了解各類不同參數對 PEM 燃料電池整體性能的影響，這些參數包括工作條件、流場的幾何形狀和 MEA 結構等。”