儲能用質(zhì)子交換膜電解池的發(fā)展現(xiàn)狀

（北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室傳熱與能源利用北京市重點實驗室，北京100124）

質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane，PEM）電解池又稱為固體聚合物電解質(zhì)（solid polymer electrolyte，SPE）電解池。為了提高電網(wǎng)效率和穩(wěn)定性，近年來將具有儲能功能的質(zhì)子交換膜電解池與具有供能功能的燃料電池組合成的再生氫氧燃料電池引入電網(wǎng)中作為儲能裝置，其中主要起儲能作用的PEM 電解池具有電流密度高、可再生、無污染、啟動速度快等優(yōu)點。PEM 電解池在儲能方面的優(yōu)勢決定了其具有廣泛的應(yīng)用前景，它與燃料電池組合成具有儲／供能功能的再生氫氧燃料電池，作為一項新興的儲能技術(shù)，在民用以及航空航天領(lǐng)域越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注，在風(fēng)／光電儲能調(diào)峰等領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大的潛力。主要被開發(fā)和應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)峰的電源系統(tǒng)［1］、偏遠地區(qū)不依賴電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)［2－3］、獨立建筑儲能供電［4］、高空長航時太陽能飛行器或太空船的混合能量存儲推進系統(tǒng)［5－6］。

目前PEM 水電解技術(shù)是制氫領(lǐng)域的研究熱點之一［7］，其遠期目標(biāo)是利用核電、水電、風(fēng)電等可再生能源大規(guī)模生產(chǎn)氫，開發(fā)利用氫能源，其實質(zhì)是將PEM水電解技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)峰，使之成為理想的能量儲存轉(zhuǎn)換裝置。

在倡導(dǎo)發(fā)展綠色能源的今天，隨著PEM 水電解技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，可以預(yù)見它將在儲能領(lǐng)域具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 電解技術(shù)

1.1 電解技術(shù)的發(fā)展

電解池是通過電解化合物，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。1801年，水被首次電解產(chǎn)生氫氣與氧氣。電解池從誕生到使用堿性電解質(zhì)生產(chǎn)氫氣和氧氣的實際應(yīng)用用了約100年。直到20世紀后半葉，電解池才被大規(guī)模地開發(fā)利用［8］。

如今已經(jīng)發(fā)展了3種不同種類的電解池：堿性電解池、固體氧化物電解池及PEM 電解池，其電解效率也在不斷提高［9－10］。

1.1.1 堿性電解池

堿性電解池的發(fā)展最為悠久，其電解液是質(zhì)量分數(shù)為20%～30%的KOH 溶液，工作溫度一般為70～100 ℃。堿性電解池在結(jié)構(gòu)和成本方面比較占優(yōu)勢，且適合大規(guī)模制氫［11］。但因其電解能耗大、腐蝕性強、易發(fā)生爆炸等缺點，故開發(fā)出了固體氧化物電解池和PEM 電解池。

1.1.2 固體氧化物電解池

固體氧化物電解池是目前3種電解池中效率最高的，電解效率可達90%，制氫效率可達45%～55%，且兼顧了效率和安全。但工作溫度需達到約1 000 ℃，導(dǎo)致材料要求高，制造工藝較復(fù)雜，因而成本較高。

1.1.3 PEM 電解池

PEM 電解池主要由3部分組成：陽極（anode）、陰極（cathode）與質(zhì)子交換膜，一般還包括集流板（current distributor，CD）［12］、流場板（flow field plate，F(xiàn)FP）和其它的支撐部件。

在該結(jié)構(gòu)中，以具有質(zhì)子交換能力的固體聚合物作為電解質(zhì)材料，在材料兩側(cè)緊密連接陽極和陰極催化層。通常將它們?nèi)弦唤M成一體化結(jié)構(gòu)，稱為膜電極組件（membrane electrode assembly，MEA）。該固體聚合物電解質(zhì)技術(shù)的應(yīng)用很廣泛，已普遍應(yīng)用于電化學(xué)合成、燃料電池、水電解等領(lǐng)域［13］。該聚合物膜屬全氟磺酸膜類型，含有SO3H 基團，也稱為Nafion膜。PEM 電解池的陰陽極均采用多孔電極，由氣體擴散層（gas diffusion layer，GDL）和電催化層（electrode catalyst layer，ECL）組成。PEM 電解池的電解反應(yīng)式如式（1）～式（3）所示，工作原理見圖1。

圖1 PEM 電解池的工作原理Fig.1 Operating principle of PEM electrolyzer

（1）Nafion膜

1960～1980年期間，美國杜邦化學(xué)公司推出一種價格昂貴的名為Nafion的新型離子交換膜。該膜由全氟磺酸聚合物（perfluor sulfonic acid polymer，PSAP）組成，其穩(wěn)定性遠超先前的已知膜，電導(dǎo)率也高出好幾倍［8］。

Nafion膜問世不久，將其用于燃料電池的研究工作相繼開始。由于具有質(zhì)子交換膜的燃料電池與電解池裝置的構(gòu)造基本相似，因而也將Nafion膜運用到電解池中。

在PEM 電解池中，Nafion膜是質(zhì)子交換膜電解水的心臟部分，它既作為導(dǎo)電的介質(zhì)，又作為隔離電解過程中陰陽極產(chǎn)生的氫、氧氣體的隔膜。其性能對整個質(zhì)子交換膜電解水系統(tǒng)的運行起著至關(guān)重要的作用。

（2）催化劑

陽極常見的催化劑有Ir、Ru、Pt或者Ir、Ru的氧化物［14］。

陰極催化層則用多孔的鉑材料，通常將鉑沉積到高分散的碳載體上，催化劑的利用效率會大幅提高，鉑金屬用量大幅降低，從而達到降低成本的目的。

（3）擴散層

擴散層也稱集流層或支撐層。陽極擴散層常采用經(jīng)過氧化處理的多孔鈦或編制鈦網(wǎng)，不能使用碳紙，因為電解過程中陽極產(chǎn)生的氧氣易氧化碳紙，使擴散層分解，從而降低電解效率。但是碳紙可以作為陰極擴散層材料，電解池陰極產(chǎn)生氫氣，極化損失較小，不會使碳紙分解。

（4）流場板

流場板也稱集流板。目前采用較多的流場板材料是純鈦，具有電導(dǎo)率高、抗腐蝕性能好、在氫氣和氧氣中穩(wěn)定等優(yōu)點。流場板類型多樣，常見的有平行、蛇形、點狀、交錯等。

1.2 PEM 電解池的優(yōu)勢

PEM 電解池相比于其它電解池，具有獨特的優(yōu)勢，不僅工作電流密度高、電解效率高（可達85%以上）、反應(yīng)無污染，還具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點［15］，既克服了堿性電解池的腐蝕性和安全性等問題，也打破了固體氧化物電解池對高溫條件的要求。

但PEM 電解池的貴金屬催化劑、Nafion膜和鈦等材料成本較高，商業(yè)化推廣速度仍然較慢，為了降低成本，近年來國內(nèi)外有關(guān)PEM 電解池的研究工作越來越多。

1.3 PEM 電解池的儲能原理

再生燃料電池儲／供能系統(tǒng)分為PEM 電解池和燃料電池兩部分。其中PEM 電解池起儲能作用，所采用的儲能物質(zhì)是極為安全又廉價的水，因此不存在污染排放問題，屬于高效清潔的能量利用儲存裝置；而燃料電池起供能作用。具體的工作原理是：將再生氫氧燃料電池與發(fā)電裝置相銜接，當(dāng)用電低谷期時，系統(tǒng)中的PEM 電解池利用多余的電能電解純水，產(chǎn)生氫氣和氧氣，并分別儲存在氫氣和氧氣的儲存裝置中；當(dāng)用電高峰期時，氫氣和氧氣通入燃料電池中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能以補充供電［16］，從而避免了電能的浪費。

目前應(yīng)用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)配套的能量儲存裝置中占比最大的是可充電池，但可充電池具有較低的質(zhì)量比能量和有限的充放電循環(huán)壽命，已無法適應(yīng)可再生能源的發(fā)展趨勢。但是可再生燃料電池由于具有極高的質(zhì)量比能量，可達400～1 000 W·h·kg－1，且具有使用中無自放電、無放電深度及電池容量限制等優(yōu)點，成為新一代可再生能源系統(tǒng)儲能的首選［5］。

因此，再生燃料電池在太陽能／風(fēng)能利用、為偏遠地區(qū)供電以及與電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合以緩解電網(wǎng)峰谷極端工況等具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

2 PEM 電解池的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)方面的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外有關(guān)PEM 電解池的研究工作才剛起步，近年來正逐漸增多。為改善電解池膜電極的整體性能，研究者分別對PEM、催化層、氣體擴散層或集流板進行了優(yōu)化改進。

2.1.1 PEM

研究人員分別采用各種方法（如射線誘導(dǎo)、離子誘導(dǎo)共聚等）以制備出性能更優(yōu)良的PEM，并對制備出的新PEM 的性能進行了檢測［17－18］。Hna′t等［19－20］研究了不同膜材料的離子傳導(dǎo)率、離子交換能力、在堿性電解質(zhì)溶液中的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)形態(tài)等。他們通過增大膜表面的孔隙率以提高離子傳導(dǎo)率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膜中水溶性物質(zhì)添加的量適中時，可以有效地提高膜的電化學(xué)特性和孔隙率，同時也不會降低其機械穩(wěn)定性。

2.1.2 催化層

孟建波等［21］對催化劑的材料及配比進行了優(yōu)化。徐志彬等［22］研究了催化層中Nafion含量對電極性能及電極壽命的影響。結(jié)果表明，電極催化層中Nafion所占比例為25%時電極的性能更好。張揚?。?4］在制備膜電極時，考察了PEM 上噴涂的Nafion量對電解性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，噴涂的Nafion量在不同的電流密度下對電解性能的影響不同。卓小龍［24］進行了一系列水電解實驗，得出了氧電極和氫電極催化劑載量不同時的極化曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氫電極Pt載量為0.20mg·cm－2時、氧電極總載量為0.80mg·cm－2時電極性能最好。

2.1.3 氣體擴散層

研究者對電解池的氣體擴散層或集流板的疏水性、多孔特性、多孔尺寸及擴散層厚度等方面也做了不少研究。

卓小龍［24］通過水電解實驗得到不同氧電極碳紙疏水比例的極化曲線，發(fā)現(xiàn)低疏水比例的碳紙更適合水電解過程。

Ito等［25］研究了PEM 電解池的陽極集流板的多孔結(jié)構(gòu)特性對電解性能的影響。結(jié)果表明，提高集流板和電極之間接觸的均勻性和充足性不僅能減少接觸阻抗，還能降低活化過電勢，從而提高電解池性能。

Grigoriev等［26］為了進一步優(yōu)化電解池，對集流板的多孔結(jié)構(gòu)進行了研究。

Siracusano等［27］通過選擇合適的氣體擴散層厚度及優(yōu)化電解池堆壓縮，從而減小雙極板和電極之間的歐姆接觸電阻。

2.2 運行工況方面的研究現(xiàn)狀

運行工況即外部操作環(huán)境，包括外界溫度、壓力、水管理及電解池的安裝方位等。

2.2.1 溫度

溫度是影響電解池性能的重要因素之一，溫度的變化會影響到催化活性、化學(xué)反應(yīng)速率、膜的電導(dǎo)率等，從而影響PEM 電解池的性能。

徐龍云［28］自行設(shè)計了PEM 電解池，其中的陽極流道類型包括平行和蛇形兩種，分別研究了溫度對兩種流道類型的電解池性能影響，同時也研究了不同流道類型對電解池性能的影響。在徐龍云設(shè)計的電解池的基礎(chǔ)上，王昭毅［29］用鈦板代替石墨作為擴散層，進行了類似的研究。

Greenway等［30］對電解池進行了同位素分離研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度越高電流密度越高。

Siracusano等［31］研究了不同溫度下PEM 電解池堆的電化學(xué)特性，分析了不同電壓下電解池的電流分布以及功率規(guī)律。

Selamet等［32］分別對由5個和10個單體PEM 電解池組成的電解池堆進行了研究，考察了不同操作溫度對PEM 電解池堆的放電性能和能量轉(zhuǎn)化效率的影響。結(jié)果表明，兩個電解池堆的放電性能和能量轉(zhuǎn)化效率都隨操作溫度的升高而改善。這是因為，溫度高時加快了電化學(xué)反應(yīng)的速率，而在電流密度較小的區(qū)域，溫度對電壓的影響不明顯。

2.2.2 壓力

壓力是電解池運行的重要參數(shù)。一方面，壓力是影響PEM 性能的重要因素之一；另一方面，提高PEM 的壓差，可以得到高壓氫氣，省去后續(xù)的壓縮環(huán)節(jié)，既簡化了設(shè)備，又在一定程度上降低了壓縮氫氣的能耗。

Medina等［33］研究了水透過高壓PEM 電解池膜的傳遞機理，確定了在不同操作條件下凈電滲阻力系數(shù)的變化趨勢，在陰極獲得干燥氫氣的最好的操作策略是提供低的電流密度和在陰極提供高電壓，其中壓力對于水從陽極傳遞到陰極起最主要的作用。

Myles等［34］研究了高壓產(chǎn)氧的PEM 電解池的組分傳遞過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著氧氣壓力的增大，膜擴散系數(shù)線性減小，外部接觸阻抗等線性增加。

周抗寒等［35］針對PEM 水電解系統(tǒng)流程、工作壓力進行工程設(shè)計，研究了壓力對電流密度、電解電壓、氣體純度及電解效率等因素的影響。

2.2.3 水管理

水管理也是影響電解池運行的重要因素。其影響機理是通過改變膜的通透率，進而作用于電解池內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)，從而影響電解池的整體性能。

王昭毅［29］研究了陽極供水流量對PEM 電解池的性能影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)影響不明顯。

卓小龍［24］采用3種不同供水模式與不同氧電極碳紙疏水比例相組合進行水電解測試。

Greenway等［30］采用陰極供添加氚元素的水蒸氣、陽極供液態(tài)水的方法對電解池進行了同位素分離研究，測試了不同流量下兩種方式的極化曲線。

Selamet等［32］對PEM 電解池堆進行了研究，考察了不同陽極供水速率對PEM 電解池堆的放電性能和能量轉(zhuǎn)化效率的影響。結(jié)果表明，其放電性能和能量轉(zhuǎn)化效率都隨供水速率的增大而提高。

彭超［36］研究了供水流量階梯變化條件下與靜水條件下流量對電解池性能的影響。結(jié)果表明，外部不供水的情況下電解池仍可正常工作達10min以上，電解池的性能不受供水流量變化的影響，因此不適于落塔實驗。

林震［37］研究了PEM 電解池的空間性能，對PEM電解池的3種供水方式和運行特點進行了對比。

Spurgeon等［38］用水蒸氣作PEM 電解池的原料，保持溫度在20 ℃，改變水蒸氣的流量，發(fā)現(xiàn)隨著水蒸氣流量的增大，其極限密度也增大，而當(dāng)用液態(tài)水作原料時，在實驗進行到最大電壓時未達到極限電流密度。

2.2.4 綜合工況

Grigoriev等［26］設(shè)計了不同的壓力和溫度組合下的4組電解池實驗。結(jié)果表明，在一定的范圍內(nèi)，溫度越高，壓力越大，導(dǎo)致過電勢及膜的阻抗的減小從而降低功耗。

Santarelli等［39］研究了不同的負載電壓下，溫度、壓力和水流量對電解池性能的影響。

王慶斌等［40］介紹了中壓PEM 水電解制氫裝置的組成及工藝流程，并對運行參數(shù)（如工作壓力、工作溫度和純水循環(huán)流量等）對電解性能的影響做了簡要分析。

2.2.5 安裝方位

安裝方位所帶來的重力因素也會給電解池的性能造成一定的影響。彭超［36］通過人工旋轉(zhuǎn)實驗平臺改變電解池的安裝方位，獲得了其工作性能的實驗數(shù)據(jù)。通過綜合對比5 種安裝方位下電解池的極化曲線發(fā)現(xiàn)，安裝方位的變化對電解池的性能基本沒有影響，但氣泡在流道內(nèi)的分布狀況有明顯不同。對于同種安裝方位，隨著電解電流的增大，流道內(nèi)氣泡增多，尺寸變大。

2.3 PEM 電解池的性能指標(biāo)

PEM 電解池的性能指標(biāo)有電壓－電流特性、產(chǎn)氫率、轉(zhuǎn)換效率等。大多數(shù)PEM 電解池的研究都以電壓－電流特性作為電解池性能的評價標(biāo)準(zhǔn)［27，41］。

產(chǎn)氫率是電解池的一項重要性能指標(biāo)，在電解池的實驗和模擬研究中經(jīng)常被用作評價標(biāo)準(zhǔn)。Siracusano等［27］在優(yōu)化電解池的設(shè)計時用產(chǎn)氫率評價電解池的性能。da Castalopes等［42］在研究電流的波動對電解池性能的影響時，將產(chǎn)氫率作為指標(biāo)之一。此外，還有許多電解池的測試實驗測定了電解池或電解池堆的產(chǎn)氫率［27，41］。

Ozcan等［43］將PEM 電解池的效率定義為每秒生成的氫氣的化學(xué)能與輸入功率之比。

Ganguly等［44］認為PEM 的電效率為電流效率和電壓效率的乘積。

Siracusano等［31］對電解池性能的評價用到了感應(yīng)電流效率、電子效率和總效率，后兩者分別參考了氫低熱值和高熱值。

2.4 PEM 電解池的兩相流研究現(xiàn)狀

徐龍云［28］設(shè)計了使用石墨作為擴散層的PEM 電解池，研究了蛇形和平行流場內(nèi)的兩相流現(xiàn)象。

王昭毅［29］使用鈦板代替石墨作為擴散層，也觀測了電解池的不同流道內(nèi)的兩相流現(xiàn)象。

彭超［36］自主搭建了一套可改變電解池安裝方位與電流密度的實驗裝置，從而獲得陰極流道內(nèi)的氣液兩相流的圖像資料。

PEM 電解池內(nèi)的兩相流問題文獻報道不多，主要還是集中在模擬方面。

王昭毅［29］建立了PEM 電解池陽極三維兩相非穩(wěn)態(tài)模型，研究了陽極水和氧氣的兩相流動及質(zhì)量傳遞過程，對陽極各區(qū)域的氣液相組分濃度及速度和流道壓力等參數(shù)進行了詳細的分析。

趙金剛［45］應(yīng)用歐拉模型對電解池點狀流場氣液兩相流動進行模擬，考察了不同進氣流速、不同進口形狀、不同壁面疏水性等參數(shù)對流場內(nèi)氣相分布的影響。

Nie等［46］采用CFD 混合物模型研究了流場板內(nèi)氣液兩相流動特性，并應(yīng)用流道內(nèi)的壓降與實驗對比的方法驗證模型的正確性，氧氣在膜電極表面的生成是穩(wěn)定和均勻的，并以此設(shè)定MEA 的邊界條件。

Philippe等［47］模擬了液態(tài)流體為電解質(zhì)的電解池內(nèi)耦合電化學(xué)反應(yīng)的氣液兩相流動，重點計算了電極上氣泡的產(chǎn)生和運動規(guī)律。

李林林等［48－49］研究了PEM 電解池流道內(nèi)單相流體的流場分布特性和制氧槽結(jié)構(gòu)對流場分布的影響，還利用PIV 系統(tǒng)對電解制氧槽試件微小方柱群流場進行了研究。

Aldas等［50］采用數(shù)學(xué)模型對陰極處的空隙率分布、流場分布及相應(yīng)的性質(zhì)進行研究，結(jié)果證明模擬結(jié)果與實驗結(jié)果具有良好的一致性。

2.5 PEM 電解池的其它模擬研究

彭超［36］對電解池陰極流道內(nèi)的單相流場進行數(shù)值模擬，研究了流場的壓力與速度分布情況，為流道內(nèi)的流動情況提供初步的定量認識。

Deshmukh［51］利用二維和三維CFD 模型模擬速度、溫度、體積分數(shù)等在電解池中的分布，其中運用到質(zhì)量、動量和電荷運輸方程等。

Nie等［52］建立了PEM 電解池雙極板內(nèi)流體流動的三維模型，模擬雙極板流道內(nèi)流體的壓力和速度分布。

Myles等［34］研究了PEM 電解池內(nèi)組分傳遞過程，模型的極化曲線在高壓下得到實驗驗證。

Li等［53］建立了膜中水流量的模型，并與實驗相結(jié)合，在前人的基礎(chǔ)上為了更精確地描述通過膜的水流量，提出了與溫度有關(guān)的水的電滲拽力系數(shù)表達式，還提供了一種用于測量與液態(tài)水、酸和甲醇溶液相接觸的Nafion膜的電滲拽力系數(shù)的新方法。

Marangio等［54］對PEM 電解池內(nèi)組分流動質(zhì)量守恒進行了數(shù)學(xué)分析。通過測量水傳遞到陰極的凈總量計算了電滲阻力系數(shù)的大小，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著溫度和壓力的升高，氫離子擴散加快，電池性能改善。

3 PEM 電解池在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 儲能調(diào)峰

鑒于能源緊缺和環(huán)境污染的雙重壓力，目前國內(nèi)外正大力發(fā)展可再生能源發(fā)電技術(shù)。但可再生能源（如太陽能、風(fēng)能等）存在一個致命的問題是能源供應(yīng)的不連續(xù)、不穩(wěn)定［55］，給其實用化進程帶來不少障礙。另外一個關(guān)鍵問題是在可再生能源充足時，如何將可再生能源系統(tǒng)中過剩的電能儲存起來，以待系統(tǒng)供電不足時使用。

利用再生氫氧燃料電池在電網(wǎng)中儲能調(diào)峰的功能［56－57］，就能很好地利用各種可再生能源及解決這些問題。在儲能調(diào)峰過程中，將再生氫氧燃料電池與可再生資源發(fā)電技術(shù)聯(lián)合起來，形成優(yōu)勢互補，延長現(xiàn)有發(fā)電系統(tǒng)的持續(xù)時間和穩(wěn)定性，以保證整個聯(lián)合系統(tǒng)在任何條件下都具有可靠的供電性能，實現(xiàn)完全無污染的能源循環(huán)系統(tǒng)。在整個系統(tǒng)中，再生氫氧燃料電池作為后續(xù)能源或能源儲備系統(tǒng)，它所儲備能源的多少完全取決于PEM 電解池。當(dāng)可再生能源充足時，其發(fā)電量除了滿足負荷的需要，剩余的發(fā)電量則向PEM 電解池供電，電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，儲存起來以備無風(fēng)或無光時使用。

采用這種聯(lián)合技術(shù)不僅使風(fēng)力、光伏發(fā)電等跨上一個新臺階，還潛在地增加了多能源發(fā)電的比例，提高了經(jīng)濟效益，具有良好的應(yīng)用前景［58］。

3.2 偏遠地區(qū)的儲能

在偏遠地區(qū)采用PEM 電解池儲存氫能，及時采用局部電網(wǎng)進行發(fā)電是不錯的選擇。

遠程通訊是日常生活中不可缺少的，而數(shù)千個基礎(chǔ)收發(fā)站支持著遠程通訊的運行，這樣避免不了一部分收發(fā)站被建立在電網(wǎng)難以到達的地方，從而影響遠程通訊的正常工作。為了保證可靠的服務(wù)，必要時需要依靠外界提供電力。利用柴油發(fā)電機提供電力，雖然能較長時間的維持其運行，但產(chǎn)物卻對環(huán)境產(chǎn)生極大的危害；而使用充電電池，不僅成本很高且提供的電量有限。隨著PEM 電解池研究的深入，采用PEM 電解池與燃料電池相結(jié)合的方式解決了這些難題。利用PEM 電解池的儲能功能把能量儲存在電解產(chǎn)物氫氣中，氫氣作為燃料隨時為將來電網(wǎng)的中斷做準(zhǔn)備，供給燃料電池，從而產(chǎn)生電能［2－4］。

3.3 獨立建筑儲能供電

在美國新澤西州的霍普維爾，“氫住宅項目”成功地創(chuàng)造了一個完全脫離電網(wǎng)的獨立住宅，它完全依賴于太陽能光伏板和安裝在住宅里的PEM 電解池和燃料電池系統(tǒng)［4］。在白天將太陽能光伏板發(fā)電裝置中多余的電用于PEM 電解池電解水，轉(zhuǎn)換成氫氣儲存起來；當(dāng)夜晚太陽能光伏板的輸出電流停止、處于用電高峰期時，氫氣作為儲能燃料被供應(yīng)到微型的燃料電池系統(tǒng)中從而產(chǎn)生電能。

3.4 航空航天領(lǐng)域

隨著載人航天工程的飛速發(fā)展，長期載人空間站的研制已列入國家的長遠計劃，而PEM 電解池為載人航天器的重要組件，其工作性能直接關(guān)系到整個載人航天器的安全。目前航天上PEM 燃料電池的研究大多結(jié)合PEM 電解水系統(tǒng)組成再生氫氧燃料電池，可代替蓄電池貯存能量。無人駕駛飛機、太空站以及衛(wèi)星上均使用了再生燃料電池。在軌道日照區(qū)和陰影區(qū)交替變化的過程中，它們利用再生燃料電池的工作原理構(gòu)成一個封閉的反應(yīng)系統(tǒng)，從而達到高效儲能的效果［5－6，59］。

4 結(jié)語

PEM 電解池在儲能方面所具有的優(yōu)勢使其具有廣闊的應(yīng)用前景，并且引起國內(nèi)外大量科研人員的關(guān)注。隨著技術(shù)的發(fā)展，采用PEM 電解池與燃料電池組合成具有儲能與供能功能的再生氫氧燃料電池，不僅在電網(wǎng)儲能領(lǐng)域發(fā)展迅速，而且在航空航天領(lǐng)域也開始受到關(guān)注。

但從PEM 電解池的研究現(xiàn)狀不難發(fā)現(xiàn)，其研究主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行工況、兩相流及系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計等方面，而這些研究的焦點最終聚集到提高PEM 電解池的性能和穩(wěn)定性及降低成本等問題上，如何克服這些技術(shù)難題將會影響PEM 電解池的產(chǎn)業(yè)化，一旦解決了這些難題，就能最終實現(xiàn)PEM 電解池在儲能應(yīng)用上的普及，從而帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益。

［1］鄭麗萍，廖世軍.可再生燃料電池及其在風(fēng)／光電儲能調(diào)峰中的應(yīng)用研究進展［J］.現(xiàn)代化工，2010，30（10）：26－30.

［2］DODDATHIMMAIAH A K.Unitised regenerative fuel cells in solar－h(huán)ydrogen systems for remote area power supply［D］.Australia：RMIT University，2008.

［3］BIDDYUT P，JOHN A.Optimal coupling of PV arrays to PEM electrolysers in solar－h(huán)ydrogen systems for remote area power supply［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2008，33（2）：490－498.

［4］JOHNSON MATTHEY PLC.Water Electrolysis ＆ Renewable Energy Systems［EB／OL］.2013－05.http：／／www.fuelcelltoday.com.

［5］宋世棟，張華民，馬霄平，等.可再生燃料電池的研究進展［J］.電源技術(shù)，2006，30（3）：175－178.

［6］BOLWIN K.Performance goals in RFC development for low earth orbit space missions［J］.Journal of Power Sources，1993，45（2）：187－194.

［7］倪萌，LEUNG M K H，SUMATHY K.電解水制氫技術(shù)進展［J］.能源環(huán)境保護，2004，18（5）：5－9.

［8］BAGOTSKY V S.燃料電池——問題與對策［M］.北京：人民郵電出版社，2011：123.

［9］MARTINEZ－FRIAS J，PHAM A，ACEVES S M.A natural gasassisted steam electrolyzer for high－efficiency production of hydrogen［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2003，28（5）：483－490.

［10］ULLEBERG Φ.Modeling of advanced alkaline electrolyzers：A system simulation approach［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2003，28（1）：21－33.

［11］GANDI′A L M，OROZ R，URSU′A A，et al.Renewable hydrogen production：Performance of an alkaline water electrolyzer working under emulated wind conditions［J］.Energy ＆ Fuels，2007，21（3）：1699－1706.

［12］GONI－URTIAGA A，PRESVYTES D，SCOTT K.Solid acids as electrolyte materials for proton exchange membrane（PEM）electrolysis：Review［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2012，37（4）：3358－3372.

［13］魏文英，尹燕華.固體聚合物電解質(zhì)技術(shù)的應(yīng)用［J］.河北化工，2008，31（3）：7－9.

［14］CARMO M，F(xiàn)RITZ D L，MERGEL J，et al.A comprehensive review on PEM water electrolysis［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2013，38（12）：4901－4934.

［15］唐金庫，巴俊洲，蔣亞雄，等.固體聚合物水電解技術(shù)綜述［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2006，28（2）：21－25.

［16］馬霄平，宋世棟，譚忠印，等.固體聚合物電解質(zhì)水電解池電極的優(yōu)化研究［J］.電源技術(shù)，2006，30（8）：621－624.

［17］LI S D，WANG C C，CHEN C Y.Water electrolysis for H2production using a novel bipolar membrane in low salt concentration［J］.Journal of Membrane Science，2009，330（1－2）：334－340.

［18］SIRACUSANO S，BAGLIO V，LUFRANO F，et al.Electrochemical characterization of a PEM water electrolyzer based on a sulfonated polysulfone membrane［J］.Journal of Membrane Science，2013，448：209－214.

［19］HNA′T J，PAIDAR M，SCHAUER J，et al.Polymer anion－selective membranes for electrolytic splitting of water.PartⅠ：Stability of ion－exchange groups and impact of the polymer binder［J］.Journal of Applied Electrochemistry，2011，41（9）：1043－1052.

［20］HNA′T J，PAIDAR M，SCHAUER J，et al.Polymer anion－selective membranes for electrolytic splitting of water.Part Ⅱ：Enhancement of ionic conductivity and performance under conditions of alkaline water electrolysis［J］.Journal of Applied Electrochemistry，2012，42（8）：545－554.

［21］孟建波，桑革，薛炎，等.多種電極的SPE水電解性能研究［J］.電化學(xué)，2007，13（2）：156－159.

［22］徐志彬，任麗彬，李勇輝，等.水電解池電極性能研究［C］／／成文.第28屆全國化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會論文選·上.廣州：華南師范大學(xué)學(xué)報，2009（增刊）：36－37.

［23］張揚健.SPE電解池和再生燃料電池膜電極研究［D］.北京：清華大學(xué)，2007.

［24］卓小龍.一體式可再生質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2013.

［25］ITO H，MAEDA T，NAKANO A.Influence of pore structural properties of current collectors on the performance of proton exchange membrane electrolyzer［J］.Electrochimica Acta，2012，100（30）：242－248.

［26］GRIGORIEV S A，MILLET P，VOLOBUEV S A，et al.Optimization of porous current collectors for PEM water electrolysers［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2009，34（11）：4968－4973.

［27］SIRACUSANO S，di BLASI A，BAGLIO V，et al.Optimization of components and assembling in a PEM electrolyzer stack［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2011，36（5）：3333－3339.

［28］徐龍云.基于固態(tài)電解質(zhì)的電解池及燃料電池性能研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

［29］王昭毅.質(zhì)子交換膜電解池兩相傳質(zhì)及性能的研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2014.

［30］GREENWAY S D，F(xiàn)OX E B，EKECHUKWU A A.Proton exchange membrane（PEM）electrolyzer operation under anode liquid and cathode vapor feed configurations［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2009，34（16）：6603－6608.

［31］SIRACUSANO S，BAGLIO V，BRIGUGLIO N，et al.An electrochemical study of a PEM stack for water electrolysis［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2011，36（1）：1－8.

［32］SELAMET O F，BECERIKLI F，MAT M D，et al.Development and testing of a highly efficient proton exchange membrane（PEM）electrolyzer stack［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2011，36（17）：11480－11487.

［33］MEDINA P，SANTARALLI M.Analysis of water transport in a high pressure PEM electrolyzer［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2010，35（11）：5173－5186.

［34］MYLES T D，NELSON G J，PERACCHIO A A，et al.Species transport in a high－pressure oxygen－generating proton－exchange membrane electrolyzer［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2012，37（17）：12451－12463.

［35］周抗寒，任春波，王飛，等.5MPa高壓質(zhì)子交換膜水電解裝置的研制與試驗［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2012，25（5）：368－371.

［36］彭超.透明SPE電解電池內(nèi)兩相流重力效應(yīng)及其電性能實驗研究［D］.北京：中國科學(xué)院力學(xué)研究所，2012.

［37］林震.水基火箭推進系統(tǒng)空間性能研究［D］.北京：北京航空航天大學(xué)，2011.

［38］SPURGEON J M，LEWIS N S.Proton exchange membrane electrolysis sustained by water vapor［J］.Energy and Environmental Science，2011，4（8）：2993－2998.

［39］SANTARELLI M，MEDINA P，CALIM.Fitting regression model and experimental validation for a high－pressure PEM electrolyzer［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2009，34（6）：2519－2530.

［40］王慶斌，薛賀來，馬強.中壓SPE水電解制氫裝置研究［J］.氣體分離，2010，（2）：54－57.

［41］BALAJI R，SENTHIL N，VASUDEVAN S，et al.Development and performance evaluation of proton exchange membrane（PEM）based hydrogen generator for portable applications［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2011，36（2）：1399－1403.

［42］da CDSTALOPES F，WATANABE E H.Experimental and theoretical development of a PEM electrolyzer model applied to energy storage systems［C］／／Power Electronics Conference.Brazil：IEEE conference publications，2009：775－782.

［43］OZCAN A，MOHAN K.Equivalent electrical model for a proton exchange membrane（PEM）electrolyser［J］.Energy Conversion and Management，2011，52（8）：2952－2957.

［44］GANGULY A，MISRA D，GHOSH S.Modeling and analysis of solar photovoltaic－electrolyzer－fuel cell hybrid power system inte－grated with a floriculture greenhouse［J］.Energy and Buildings，2010，42（11）：2036－2043.

［45］趙金剛.燃料電池和電解池內(nèi)部的兩相流的數(shù)值模擬［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué)，2008.

［46］NIE J H，CHEN Y T.Numerical modeling of three－dimensional two－phase gas－liquid flow in the flow field plate of a PEM electrolysis cell［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2010，35（8）：3183－3197.

［47］PHILIPPE M，JEROME H，SEBASTIEN B，et al.Modelling and calculation of the current density distribution evolution at vertical gas－evolving electrodes［J］.Electrochimica Acta，2005，51（6）：1140－1156.

［48］李林林，張吉禮，周抗寒.電解水制氧槽方柱群微小流道單相流場數(shù)值模擬分析［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2009，22（1）：22－26.

［49］李林林，張吉禮.電解制氧槽試件微柱群單相流場PIV 測試［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，（8）：1222－1226.

［50］ALDAS K，PEHLIVANOGLU N，MAT M D.Numerical and experimental investigation of two－phase flow in an electrochemical cell［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2008，33：3668－3675.

［51］DESHMUKH S S.Experimental and numerical study of a proton exchange membrane electrolyzer for hydrogen production［D］.Las Vegas：University of Nevada，2009.

［52］NIE J H，CHEN Y T，COHEN S，et al.Numerical and experimental study of three－dimensional fluid flow in the bipolar plate of a PEM electrolysis cell［J］.International Journal of Thermal Sciences，2009，48：1914－1922.

［53］LI X J，QU S G，YU H M，et al.Membrane water－flow rate in electrolyzer cells with a solid polymer electrolyte（SPE）［J］.Journal of Power Sources，2009，190（2）：534－537.

［54］MARANGIO F，SANTARELLI M，CALA M.Theoretical model and experimental analysis of a high pressure PEM water electrolyser for hydrogen production［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2009，34（3）：1143－1158.

［55］GUO H，ZHAO J F，YE F，et，al.Two－phase flow in fuel cells in short－term microgravity condition［J］.Microgravity Science and Technology，2008，20（3－4）：265－269.

［56］逯紅梅，秦朝葵.燃料電池混合發(fā)電技術(shù)［J］.電池，2008，38（6）：389－391.

［57］蔡可心.風(fēng)能－燃料電池聯(lián)合供電系統(tǒng)［J］.新能源，2009，（5）：50－51.

［58］MANIYALI Y，ALMANSOORI A，F(xiàn)OWLER M，et al.Energy hub based on nuclear energy and hydrogen energy storage［J］.Industrial ＆ Engineering Chemistry Research，2013，52（22）：7470－7481.

［59］康琦，侯瑞.微重力流體管理在航天工程中的應(yīng)用［J］.自然雜志，2007，29（6）：328－334.