質(zhì)子交換膜的案例
新型被動(dòng)冷卻方案：用于質(zhì)子交換膜燃料電池堆的均熱板
來源 | Renewable Energy
01
背景介紹
質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種將氫能轉(zhuǎn)化為電能的直接能源裝置，具有能源效率高、啟動(dòng)快、無污染排放等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電、便攜式供電、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。然而，PEMFC在輸出電能的同時(shí)釋放大量廢熱，影響其工作溫度。過高的溫度會(huì)導(dǎo)致膜電極組件降解并造成不可逆的損壞，而過低的溫度則不利于反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，影響PEMFC的性能和耐久性。
02
成果掠影
近期，華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院簡(jiǎn)棄非教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新穎的被動(dòng)冷卻方案，將均熱板集成到質(zhì)子交換膜燃料電池堆中進(jìn)行熱管理。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制作了1.32 mm厚的均熱板，并通過使用加熱墊在不同功率下進(jìn)行測(cè)試來驗(yàn)證其傳熱性能。在確認(rèn)均熱板能夠滿足散熱要求后，在快速啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間對(duì)與均熱板耦合的電池堆的輸出特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估。結(jié)果表明均熱板在熱通量密度僅為 0.052 W/cm2的情況下有效運(yùn)行在蒸發(fā)部分，同時(shí)在 48 W 下保持最大面內(nèi)溫差 2.6 °C。在電池堆從 0 A 到 40 A 的快速啟動(dòng)加載過程中，均熱板表現(xiàn)出快速的熱響應(yīng)和出色的溫度均勻性，防止由于工作溫度不當(dāng)而導(dǎo)致堆棧性能下降。與一般的風(fēng)冷電池堆相比，與均熱板結(jié)合的電池堆的電壓顯著提高了 21.7%。這些結(jié)果系統(tǒng)地證明了均熱板用于風(fēng)冷質(zhì)子交換膜燃料電池堆熱管理的可行性。
展開 香港科技大學(xué)趙天壽《Nature》子刊：石墨炔膜材料可實(shí)現(xiàn)甲醇零滲透
直接甲醇燃料電池被認(rèn)為是最有前途的清潔高效能源電池之一，其中，質(zhì)子交換膜是影響直接甲醇燃料電池能量效率、功率密度等的核心部件。近日，香港科技大學(xué)教授趙天壽課題組發(fā)現(xiàn)新型二維碳納米材料石墨炔是較為理想的質(zhì)子交換膜材料，具備高選擇性和高導(dǎo)電性，能有效阻隔甲醇燃料的滲透。相關(guān)成果發(fā)表于《自然·通訊》上。
傳統(tǒng)燃料電池通常以氫氣為燃料，但氫氣難以儲(chǔ)存和運(yùn)輸。直接甲醇燃料電池以甲醇為燃料，無需重整或轉(zhuǎn)化，可直接在電極上反應(yīng)轉(zhuǎn)變成電能，能量密度高、安全高效且易儲(chǔ)存，已成為近年來國(guó)際上研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。
質(zhì)子交換膜是直接甲醇燃料電池的“心臟”，其作用是阻隔陰陽(yáng)兩極，傳導(dǎo)質(zhì)子。
“質(zhì)子交換膜的性能是現(xiàn)在面臨的一個(gè)‘卡脖子’問題。”趙天壽告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，目前燃料電池用的質(zhì)子交換膜主要是美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜。但其最大問題是甲醇滲透率高。位于陽(yáng)極的甲醇會(huì)通過質(zhì)子交換膜向陰極滲透，這一方面造成了甲醇燃料的浪費(fèi)，降低了能源利用效率；另一方面甲醇滲透到陰極后發(fā)生負(fù)反應(yīng)，導(dǎo)致催化劑中毒，大大降低電池性能，縮短電池壽命。
趙天壽課題組長(zhǎng)期致力于燃料電池的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，有著十五年的積累。此次，研究人員全面探究了二維碳納米材料石墨炔作為質(zhì)子交換膜材料的可行性，及其質(zhì)子傳導(dǎo)率和阻醇率。
據(jù)介紹，石墨炔具備均一的孔徑結(jié)構(gòu)、孔內(nèi)尺寸可調(diào)控等特點(diǎn)，是研究質(zhì)子選擇性傳導(dǎo)行為的理想二維材料。
研究人員通過原子尺度的模擬，對(duì)石墨炔界面處的質(zhì)子及甲醇分子的穿透行為進(jìn)行分析，得到質(zhì)子傳導(dǎo)率和甲醇滲透率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨炔孔徑大于1.2nm時(shí)，石墨炔和水形成的是一個(gè)水相-真空相交錯(cuò)的界面，其中水相可以使得質(zhì)子快速傳導(dǎo)，而真空相可以有效地阻擋甲醇分子的穿透。這一發(fā)現(xiàn)為零滲透質(zhì)子選擇膜的設(shè)計(jì)提供了新的可能性。
展開 電解水制氫、氫氣發(fā)電的能量轉(zhuǎn)移邏輯
2.2、PEM 材料
作為水電解槽膜電極的核心部件，質(zhì)子交換膜不僅傳導(dǎo)質(zhì)子，隔離氫氣和氧氣，而且還為催化劑提供支撐，其性能的好壞直接決定水電解槽的性能和使用壽命。目前水電解制氫所用質(zhì)子交換膜多為全氟磺酸膜，制備工藝復(fù)雜，長(zhǎng)期被美國(guó)和日本企業(yè)壟斷，如科慕Nafion?系列膜、陶氏XUS-B204膜、旭硝子Flemion?膜、旭化成Aciplex?-S膜等。其中科慕Nafion?系列膜具有低電子阻抗、高質(zhì)子傳導(dǎo)性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、防氣體滲透性等優(yōu)點(diǎn)，是目前電解制氫選用最多的質(zhì)子交換膜。
長(zhǎng)期被國(guó)外少數(shù)廠家壟斷，質(zhì)子交換膜價(jià)格高達(dá)幾百~幾千美元/m2。為降低膜成本，提高膜性能，國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)攻關(guān)改性全氟磺酸質(zhì)子交換膜、有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合質(zhì)子交換膜和無氟質(zhì)子交換膜。全氟磺酸膜改性研究聚焦聚合物改性、膜表面刻蝕改性以及膜表面貴金屬催化劑沉積3種途徑。
Ballard公司開發(fā)出部分氟化磺酸型質(zhì)子交換膜BAM3G，熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度等指標(biāo)性能與Nafion?系列膜接近，但價(jià)格明顯下降，有可能替代Nafion?膜。通過引入無機(jī)組分制備有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合質(zhì)子交換膜，使其兼具有機(jī)膜柔韌性和無機(jī)膜良好熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，成為近幾年的研究熱點(diǎn)。另外選用聚芳醚酮和聚砜等廉價(jià)材料制備無氟質(zhì)子交換膜，也是質(zhì)子交換膜的發(fā)展趨勢(shì)。
2.3、電催化劑
膜電極中析氫、析氧電催化劑對(duì)整個(gè)水電解制氫反應(yīng)十分重要。理想電催化劑應(yīng)具有抗腐蝕性、良好的比表面積、氣孔率、催化活性、電子導(dǎo)電性、電化學(xué)穩(wěn)定性以及成本低廉、環(huán)境友好等特征。
展開 氫能全產(chǎn)業(yè)鏈解析之制氫篇：PEM電解水
而電解水制氫目前主要有三種技術(shù)路線，即堿性電解（AWE），質(zhì)子交換膜（PEM）電解以及固體氧化物（SOEC）三種技術(shù)路線。電解水制氫三種技術(shù)路線對(duì)比在以上三種技術(shù)路線中，PEM電解水制氫的效率較高，并且適用于可再能能源發(fā)電時(shí)的波動(dòng)性，是當(dāng)下主流也是比較有前景的電解水制氫技術(shù)，下面我們就來看一下PEM電解水制氫的技術(shù)原理。PEM電解水制氫原理與堿性電解池相比，PEM電解池用質(zhì)子交換膜代替了石棉膜，傳導(dǎo)質(zhì)子，并隔絕電極兩側(cè)的氣體，避免了堿性電解液所帶來的缺點(diǎn)。同時(shí)，PEM電解池的體積更為緊湊，結(jié)構(gòu)方面零間隙，極大降低了電解池的歐姆內(nèi)阻，提升了整體性能。PEM電解池的結(jié)構(gòu)典型的PEM電解池主要由陽(yáng)極端板、陰極端板、陰陽(yáng)極擴(kuò)散層、陰陽(yáng)極催化層以及質(zhì)子交換膜組成。其中，端板的作用是固定電解池組件，并引導(dǎo)電流傳遞，分配水、氣，擴(kuò)散層起集流，促進(jìn)氣液傳遞等作用，催化層的核心是由催化劑、電子傳導(dǎo)介質(zhì)、質(zhì)子傳導(dǎo)介質(zhì)組成的三相界面，是電化學(xué)反應(yīng)的核心場(chǎng)所。質(zhì)子交換膜一般使用全氟磺酸膜，傳遞質(zhì)子，隔絕開陰陽(yáng)極生成的氣體，并阻止電子的傳遞。PEM電解水技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與堿性電解水相比，PEM電解水的優(yōu)勢(shì)主要在于：1.由于采用的是質(zhì)子交換膜固體電解質(zhì)，產(chǎn)生的氣體無需進(jìn)行脫堿處理；2.效率高于堿性電解池；3.啟停快，響應(yīng)性好4.能適應(yīng)可再能能源發(fā)電時(shí)的波動(dòng)性。PEM電解水技術(shù)的缺點(diǎn)目前PEM電解水技術(shù)的缺點(diǎn)在于成本較高，主要是由于催化劑用到貴金屬鉑，成本一時(shí)難以降低，這一點(diǎn)與燃料電池面臨的問題是一樣的，如何降低催化劑的鉑載量或?qū)ふ倚碌牡统杀镜奶娲牧希彩钱?dāng)前要研究并攻克的關(guān)鍵技術(shù)問題。
展開 
可再生能源電解水制氫儲(chǔ)能應(yīng)用前景廣闊
加拿大20MW項(xiàng)目作為全球最大的質(zhì)子交換膜電解水制氫項(xiàng)目可實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)氫8640kg，該項(xiàng)目所采用的即為5MW質(zhì)子交換膜電解水制氫設(shè)備。
丹麥1.2MW項(xiàng)目采用就地制氫的方案，在風(fēng)電場(chǎng)附近建立制氫、儲(chǔ)氫、氫氣管道輸出一體化電解水制氫站，用于制取綠氫及配合可再生能源風(fēng)電消納，同樣采用的質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)。
因此，本文建議：我國(guó)應(yīng)重視質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)突破質(zhì)子交換膜電解槽的催化劑技術(shù)、雙極板材料、膜電極等關(guān)鍵技術(shù)和部件的研發(fā)和制造技術(shù)，通關(guān)提高催化劑效率降低質(zhì)子交換膜電解水制氫成本，通過研發(fā)制造更高性能的雙極板材料提高質(zhì)子交換膜電解槽的使用壽命。
目前，我國(guó)電解水裝置的安裝總量在 1500-2000套左右，電解水制氫年產(chǎn)量約9億m3，堿性電解水技術(shù)占絕對(duì)主導(dǎo)地位。
目前，國(guó)內(nèi)堿性電解水設(shè)備的單臺(tái)產(chǎn)能最大可達(dá)1000m3/h，電解水設(shè)備制造廠家主要有中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所、天津市大陸制氫設(shè)備有限公司及蘇州競(jìng)立制氫設(shè)備有限公司等。
可再生能源制氫技術(shù)分類
傳統(tǒng)的電解水制氫在發(fā)電環(huán)節(jié)多采用火電，伴隨著大量碳排放，而可再生能源制氫采用的是風(fēng)電、光電等能源，是真正意義上的綠氫制取技術(shù)。
下面分別以2類典型可再生能源制氫技術(shù)展開，介紹其基本原理與系統(tǒng)架構(gòu)，并總結(jié)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)可再生能源制氫技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展提供借鑒和參考。
展開 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型與關(guān)鍵部件
(PEMFC)?堿性燃料電池(AFC)?磷酸型燃料電池(PAFC)?固體氧化物燃料電池(SOFC)以及熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)?
2.1.1 質(zhì)子交換膜燃料電池
質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的結(jié)構(gòu)組成如圖9所示?PEMFC由膜電極(MEA)和帶氣體流動(dòng)通道的雙極板組成?其核心部件膜電極是采用一片聚合物電解質(zhì)膜和位于其兩側(cè)的兩片電極熱壓而成,中間的固體電解質(zhì)膜起到了離子傳遞以及分割燃料和氧化劑的雙重作用,而兩側(cè)的電極是燃料和氧化劑進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所?
圖9 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的結(jié)構(gòu)組成
PEMFC通常以全氟磺酸型質(zhì)子交換膜為電解質(zhì),Pt/C或PtRu/C為電催化劑,氫或凈化重整氣為燃料,空氣或純氧為氧化劑,帶有氣體流動(dòng)通道的石墨或表面改性金屬板為雙極板?PEMFC工作時(shí),燃料氣和氧化劑氣體通過雙極板上的導(dǎo)氣通道分別到達(dá)電池的陽(yáng)極和陰極,反應(yīng)氣體通過電極上的擴(kuò)散層到達(dá)電極催化層的反應(yīng)活性中心,氫氣在陽(yáng)極的催化劑作用下解離為氫離子(質(zhì)子)和帶負(fù)電的電子,氫離子以水合質(zhì)子H+(nH2O,n約為3~5)的形式在質(zhì)子交換膜中從一個(gè)磺酸基遷移到另一個(gè)磺酸基,最后到達(dá)陰極?質(zhì)子的這種遷移導(dǎo)致陽(yáng)極出現(xiàn)帶負(fù)電的電子積累,從而變成一個(gè)帶負(fù)電的端子(負(fù)極)?與此同時(shí),陰極的氧分子在催化劑作用下與電子反應(yīng)變成氧離子,使得陰極變成了帶正電的端子(正極),在陽(yáng)極的負(fù)電終端和陰極的正電終端之間產(chǎn)生了一個(gè)電壓?如果此時(shí)通過外部電路將兩端相連,電子就會(huì)通過回路從陽(yáng)極流向陰極,從而產(chǎn)生電流;同時(shí)氫氧反應(yīng)生成水?
PEMFC以其操作溫度低?比能高?啟動(dòng)快等優(yōu)勢(shì)被視為電動(dòng)汽車最具潛力的能量來源之一?經(jīng)過多年的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā),質(zhì)子交換膜燃料電池用作汽車動(dòng)力的研究已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,微型質(zhì)子交換膜燃料電池便攜電源和小型質(zhì)子交換膜燃料電池移動(dòng)電源已達(dá)到產(chǎn)品化程度,中?大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的研究也取得了一定成果
展開 納米材料新用途：制造出更便宜的的燃料電池！
正如研究人員Xiaolong Zou在“Materials Today”中所談到的一樣：“開發(fā)陰極氧還原反應(yīng)中的高效催化劑對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用是至關(guān)重要的。”據(jù)Nanoscale雜志[Zou et. al. Nanoscale (2017) DOI: 10.1039/C7NR08061A]可知，通過使用計(jì)算機(jī)模擬，研究小組研究了為什么石墨烯納米帶和氮/硼摻雜的碳納米管反應(yīng)太慢，以及該如何改善的問題。
導(dǎo)電納米管或摻雜的納米帶改變了它們化學(xué)鍵的特性，這有助于它們?cè)?em>質(zhì)子交換膜燃料電池中用作陰極。在標(biāo)準(zhǔn)燃料電池中，陽(yáng)極加入氫燃料，然后將其分離成質(zhì)子和電子。當(dāng)負(fù)電子流出成為可用電流時(shí)，質(zhì)子被拉入陰極與電子和氧氣再結(jié)合生成水。
據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于摻雜劑之間的相互作用以及化學(xué)鍵的變形，氮摻雜多的超薄碳納米管能夠最有效地發(fā)揮作用。納米管在這方面比納米帶好，因?yàn)樗鼈兊那剩で嘶瘜W(xué)鍵的邊緣使其更容易結(jié)合。他們發(fā)現(xiàn)半徑在7至10埃之間的超薄納米管是最理想的。
開發(fā)陰極氧還原反應(yīng)中的高效催化劑對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用是至關(guān)重要的。——Xiaolong Zou
還證明了具有豐富邊緣，摻雜氮和硼的石墨烯納米帶顯示了與吸收氧的納米管相當(dāng)?shù)男阅堋Ｔ谶@里，氧氣提供了形成雙鍵的機(jī)會(huì)，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯舆B接到帶正電荷的硼摻雜位點(diǎn)。正如Boris Yakobson所說：“雖然摻雜納米管顯示出良好的前景，但是在納米帶鋸齒邊緣取代氮可以暴露所謂的吡啶氮（其具有已知的催化活性），因此可能實(shí)現(xiàn)最佳性能。”
現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)希望開發(fā)出新的方法來實(shí)時(shí)的研究納米級(jí)電化學(xué)過程，以及更好地進(jìn)行摻雜物與有缺陷的碳材料之間的相互作用以提高性能。
展開 車用質(zhì)子交換膜燃料電池水熱管理
車用質(zhì)子交換膜燃料電池水熱管理
CAE軟件在質(zhì)子交換膜燃料電池及其系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用
CAE軟件在質(zhì)子交換膜燃料電池及其系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用
阻礙中國(guó)燃料電池發(fā)展的“三座大山”
從分類上，燃料電池分成堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）等等。在車上使用的主流技術(shù)，為質(zhì)子交換膜燃料電池，以下簡(jiǎn)稱PEMFC。
質(zhì)子交換膜燃料電池模擬圖
與其說燃料電池是電池，不如說燃料電池更像一臺(tái)發(fā)電機(jī)。所以也有人說燃料電池是即水力發(fā)電、火力發(fā)電、核電之后的第四代發(fā)電系統(tǒng)。補(bǔ)充氫氣，即可續(xù)航，這和現(xiàn)在的燃油車加油的形式非常類似。因此，在形式上，相比鋰離子電池，燃料電池用于新能源汽車更加合適。
根據(jù)“第三代燃料電池技術(shù)”的要求，燃料電池電堆的功率密度要達(dá)到3.1kW/L，功率要求達(dá)到110kW以上，壽命達(dá)到5000小時(shí)……要在量產(chǎn)的前提下達(dá)到指標(biāo)要求，難度相當(dāng)大。有人說制約國(guó)內(nèi)燃料電池技術(shù)發(fā)展的是關(guān)鍵材料，我同意，有人說制約國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)展的是加工工藝，我也同意，但是，除此以外，讓我分享一下我心中燃料電池技術(shù)的三座大山吧。
第一座大山：氫偏見
氫氣，是一種易燃易爆的氣體，這是大部分人的認(rèn)識(shí)。實(shí)際也是這樣，氫氣的爆炸極限是4%到74%，非常寬泛。除此之外，氫氣管道還有一個(gè)特別危險(xiǎn)的現(xiàn)象：氫脆。氫脆可以認(rèn)為是氫氣對(duì)鋼材的一種腐蝕，導(dǎo)致表面出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。
這讓大家有點(diǎn)聞氫色變。
德國(guó)PO公司生產(chǎn)的高壓氫氣罐
但是，我想問大家一個(gè)問題：氧氣瓶是否安全？
以下一些關(guān)于氧氣可能造成的傷害：
氧氣是強(qiáng)氧化劑，增加氧的純度和壓力會(huì)使氧化反應(yīng)顯著地加劇。物質(zhì)的燃點(diǎn)也會(huì)隨著氧氣壓力的增加而降低。
當(dāng)壓縮純氧與礦物油、油脂或細(xì)微分散的可燃粉塵（炭粉、有機(jī)物纖維等）接觸時(shí)，由于劇烈的氧化升溫、積熱而能夠發(fā)生自燃，構(gòu)成火災(zāi)或爆炸的條件。
展開 新能源系統(tǒng)仿真測(cè)試解決方案
質(zhì)子交換膜燃料電池管理單元功能測(cè)試驗(yàn)證
燃料電池巡檢系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證
- 功能特點(diǎn)
基于成熟燃料電池專用HIL仿真硬件，支持壓縮機(jī)、氫氣噴射、電磁閥、節(jié)氣門閥體等特殊執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)測(cè)試驗(yàn)證，支持壓力、流量、濕度、溫度等傳感器信號(hào)采集測(cè)試
基于復(fù)雜電化學(xué)質(zhì)子交換膜燃料電池電堆模型和豐富的執(zhí)行器附件模型，支持電堆反應(yīng)、氫氣回路、氧氣回路、排水排氫、水熱系統(tǒng)和儲(chǔ)氫單元等工作過程仿真
支持氫氣供給、氧氣供給、水熱管理、氣體循環(huán)等控制器閉環(huán)功能測(cè)試
支持發(fā)動(dòng)機(jī)冷熱啟動(dòng)、功率跟隨、燃料消耗優(yōu)化等系統(tǒng)功能測(cè)試
支持總線通訊故障、接口電氣故障、執(zhí)行器動(dòng)作故障、傳感器信號(hào)異常等異常測(cè)試
小結(jié)
經(jīng)緯恒潤(rùn)提供的新能源HIL測(cè)試解決方案，可以實(shí)現(xiàn)新能源電控單部件的獨(dú)立測(cè)試，也可以實(shí)現(xiàn)新能源多控制器集成功能測(cè)試。
展開 
車用燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳解
燃料電池，通常說的是氫燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池），是一種通過氫氣和氧氣進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。與一般的電池不同，燃料電池只需要提供穩(wěn)定的氫氣和氧氣，即可連續(xù)不斷的提供穩(wěn)定電能。
燃料電池作用機(jī)理
燃料電池工作時(shí)，陽(yáng)極的氫氣在催化劑的作用下分解出氫離子和電子，氫離子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子則沿著外部電路到達(dá)陰極（正極）產(chǎn)生電流。而在陰極，空氣中的氫氣與氫離子、電子反應(yīng)生成水。
單電池結(jié)構(gòu)組成
由于燃料電池的反應(yīng)物是氫氣和氧氣，唯一生成物是水，應(yīng)用在汽車上作為動(dòng)力源能有效減少其它燃油車造成的環(huán)境污染問題，也因此，氫燃料汽車被認(rèn)為是真正環(huán)保的新能源汽車。
燃料電池堆圖示
在實(shí)際使用時(shí)，通常將多片燃料電池串聯(lián)起來組裝成燃料電池堆，以提供較大的用電需求。
燃料電池堆的主要部件
其中，由于燃料電池中的催化劑由鉑貴金屬構(gòu)成成本較高，約占整個(gè)燃料電池堆成本的26%。
燃料電池堆成本構(gòu)成
與傳統(tǒng)燃油車上的發(fā)動(dòng)機(jī)相同，燃料電池用作汽車動(dòng)力源時(shí)，也需要相應(yīng)的輔助系統(tǒng)，因此，燃料電池車上的燃料電池系統(tǒng)也稱為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，主要由燃料電池堆、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、配電管理系統(tǒng)和控制器等組成。
豐田Mirai燃料電池車
燃料電池堆
空氣壓縮機(jī)（空氣供應(yīng)系統(tǒng)的核心組件），其作用是將燃料電池堆發(fā)電所需的空氣壓縮后輸入電堆，在低流量時(shí)采用低壓壓縮，高流量時(shí)采用高壓壓縮，以提高效率。
空氣壓縮機(jī)
氫氣循環(huán)泵（氫氣供應(yīng)系統(tǒng)核心組件），將未反應(yīng)的氫氣循環(huán)使用，提高了氫氣的利用率。同時(shí)，也將生成的水進(jìn)行循環(huán)，實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的自增濕功能。
展開 新能源汽車電池的安全問題，這項(xiàng)核心技術(shù)能夠防患于未“燃”
質(zhì)子交換膜燃料電池的可靠之選
燃料電池是一種電化學(xué)設(shè)備，通過與催化劑和氧氣發(fā)生反應(yīng)，將氫氣轉(zhuǎn)化成電流（和熱量）。水是唯一的副產(chǎn)品，這使得燃料電池不僅效率高，而且非常環(huán)保。
根據(jù)轉(zhuǎn)換過程中使用的電解質(zhì)，共有幾種不同類型的燃料電池。其中，質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池已經(jīng)成為用于燃料電池車輛的首選技術(shù)。
研究發(fā)現(xiàn)：交聯(lián)劑長(zhǎng)度影響AEM燃料電池性能
蓋世汽車訊
陰離子交換膜燃料電池(AEMFC)利用氫氣發(fā)電，被認(rèn)為是目前使用的質(zhì)子交換膜燃料電池的替代品。然而，在堿性條件下，陰離子交換膜（AEM）存在穩(wěn)定性問題。雖然可以通過交聯(lián)來克服這一問題，但交聯(lián)劑長(zhǎng)度對(duì)AEMFC電池性能的具體影響尚不明了。據(jù)外媒報(bào)道，最近，韓國(guó)科學(xué)家闡明含氧交聯(lián)劑的效能，利用最佳長(zhǎng)度交聯(lián)劑，制造出一種性能更優(yōu)異的新型AEMFC電池。
（圖片來源：仁川國(guó)立大學(xué)）
為了改善生態(tài)環(huán)境，用綠色能源替代化石燃料，目前，氫氣作為有潛力替代品備受關(guān)注。在燃料電池中，它可以用來發(fā)電，所產(chǎn)生的唯一副產(chǎn)品是水。然而，該技術(shù)尚未完全做好商業(yè)化準(zhǔn)備，因?yàn)檠芯孔顝V泛的質(zhì)子交換膜燃料電池存在成本高和穩(wěn)定性差問題。
相比之下，在陰離子交換膜(AEM)燃料電池中，所使用的催化劑成本更低，而且性能更好。這類電池通過聚合物電解質(zhì)（由聚合物骨架和離子傳導(dǎo)基團(tuán)組成），來循環(huán)氫氧根離子（OH-），而不是質(zhì)子。提高這類電解質(zhì)性能的一種方法是，通過分子側(cè)鏈將聚合物單元（物理或化學(xué)）連接在一起，也就是交聯(lián)。雖然含氧交聯(lián)劑具有親水性，可以提高AEM的穩(wěn)定性和離子導(dǎo)電性，但交聯(lián)劑長(zhǎng)度能夠定義氧原子數(shù)目，其具體影響還不是很清楚。
在最近的一項(xiàng)研究中，仁川國(guó)立大學(xué)（Incheon National University）的科學(xué)家，制備帶有銨離子導(dǎo)電基團(tuán)的長(zhǎng)AEM聚合物，并利用不同長(zhǎng)度的含環(huán)氧乙烷交聯(lián)劑，將這些分子結(jié)合在一起。他們通過大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)采用不同長(zhǎng)度交聯(lián)劑的AEM進(jìn)行性能對(duì)比，包括機(jī)械和熱性能、保水能力、氫氧根離子電導(dǎo)率、形態(tài)和穩(wěn)定性。
展開 我國(guó)氫能行業(yè)現(xiàn)狀點(diǎn)評(píng)
按照電解質(zhì)的不同，常用的燃料電池可分為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和磷酸型燃料電池（PAFC）、堿性燃料電池 （AFC）和碳酸型燃料電池 （MCFC）等。其中質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)是最快發(fā)展起來的，具有體積小、快速啟動(dòng)、壽命長(zhǎng)、能量轉(zhuǎn)換效率高、電流密度大和應(yīng)用場(chǎng)景廣泛的優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)階段燃料電池汽車廠商普遍采用的燃料電池技術(shù)。此外，電堆和系統(tǒng)也是兩個(gè)重要組成部分，電堆有雙極板、膜電極、催化劑膜、氣體交換層次膜。電化學(xué)工藝主要發(fā)生在膜電極當(dāng)中，雙極板主要分為石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合雙極板，其中石墨雙極板是目前使用面積最大的，金屬雙極板較容易氧化，石墨雙極板和復(fù)合雙極板的穩(wěn)定性較強(qiáng)。
電堆運(yùn)行需要一個(gè)燃料電池系統(tǒng)來進(jìn)行控制，氧氣主要來源于空氣，氫氣和氧氣流轉(zhuǎn)的速率由系統(tǒng)來控制。目前氫燃料電池汽車滲透率很低，不到 1 萬量，基礎(chǔ)設(shè)施沒有跟上，已經(jīng)可以應(yīng)用于上路的車也僅為 50%-60%，我國(guó)政策上目前規(guī)劃是 2025 年燃料電池汽車可達(dá) 5 萬輛，2030 年達(dá)到 100萬輛以上；同時(shí)也對(duì)成本提出了要求，到 2025 年商用車低于 200 萬，乘用車低于 20 萬到 2030 年商用車低于 100 萬，乘用車低于 18 萬，主要應(yīng)用于客車、中卡、重卡、城市環(huán)衛(wèi)車、垃圾車等，減少對(duì)煤炭、石油、天然氣的依賴。近年來燃料電池和制氫系統(tǒng)的性能逐漸提高，成本不斷下降，但是推進(jìn)氫能應(yīng)用需要協(xié)調(diào)區(qū)域和部門共同制定燃料電池和氫相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，從而在研發(fā)、布局和制造方面實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，存在很大的發(fā)展障礙。（完）
展開 