質子交換膜燃料電池的研究開發與應用

陳慕欣，柳佳欣，衣秀羽

(煙臺九目化學股份有限公司，山東 煙臺 264006)

在國內外新型動力源的深入研究中，各國對質子交換膜燃料電池制備、推廣愈發重視。為在質子交換膜燃料電池的積極研發中，明確燃料電池使用性能，文章對質子交換膜燃料電池的研究開發與應用展開討論。

1 質子交換膜燃料電池相關概述

質子交換膜燃料電池結構組成中，其電解質類型是薄層聚合物半透膜，該電池在工作環境中，可接受的溫度條件為25～75 ℃。而電池所輸出的電功率約為55～245kW中，同時在薄膜電解質作用下，電池柔韌性較強，不會在工作期間出現破損現象，甚至能夠在低溫環境中穩定運行，所以經常用于汽車、電子設備內部設計中。現階段，質子交換膜燃料電池普及率不斷提高，已經顯現出趕超其他類燃料電池的趨勢。但是由于質子交換膜燃料電池在實際工作中，容易產生難以逆轉的能耗，且電池所輸出的電壓低于熱力學理論所測算的工作電壓。所以在分析該電池的輸入電壓時，可在用預算電壓減去電池電壓損耗，以獲取實際電壓值數[1]。

2 質子交換膜燃料電池的研究開發現狀

現階段，國內在質子交換膜燃料電池研發中，主要集中在電池組分中質子交換膜、催化劑、電機組件的研究中，并且已經取得較大進展。首先，在催化劑方面，相關人員所研制的鉑/碳電極催化劑，能夠將催化劑中的碳載體布設在流動性的Co中，并將Co氣體加熱至300～850 ℃中，使其在活化處理狀態保持12 h。然后借助沉淀法原理，將Pt轉移到碳載體上，最終獲取Pt/C催化劑。

其次，在電機組合件方面，某企業基于“橫板涂敷法”，通過在同一質子交換膜中，制作多個膜電極以組成質子交換膜燃料電池。同時在擴散層、催化層構成膜電極后，組裝發電單元，支持質子交換膜燃料電池運行。除此之外，研究人員利用石墨、SiO2、Ag、BO、PbO等材料組成的復合型后厚膜電極，可在與導電粉末、非金屬材料無機粘合劑融合中，建立微觀型的網絡式的電流導電通道。最后，我國對于質子交換膜的研發，是在聚偏氟乙烯、甲基吡咯烷酮等溶液混合后，將其加熱處理直至甲基吡咯烷酮溶液沸騰。在溶液內部溫度回流半小時后，將90 ℃的溶液混合劑，倒入引發劑中，經儲存、降溫、沉淀后取出溶液內固體制作為質子交換膜[2]。

3 質子交換膜燃料電池的應用

3.1 質子交換膜燃料電池的應用優勢

隨著燃料電池在各行業中的滲透，相關人員嘗試將燃料電池用于手機、筆記本電腦等移動設備中，并且由于移動設備電源需具備質地輕巧、能量占比高等特征。使得燃料電池因自身能力密度高的使用優勢，逐漸形成產業化應用模式，市場競爭力較強。并且質子交換膜燃料電池無需額外充電，所以作為軍事領域的士兵攜帶型電源，用以完善單兵裝備。再者，傳統燃料工具大量生產、使用時，造成的生態環境污染、資源損耗問題愈發突出，而燃料為氫氣的質子交換膜燃料電池，卻能夠在保障電源能量效率的基礎上，控制燃料感染、解決資源短缺問題。除此之外，以氫氣質子交換膜燃料電池具有一定的安全性，既是出現少量氣體泄露問題，同樣可利用空氣快速將氫氣稀釋，形成低濃度的安全混合氣體。或是在密閉空間中，氫氣可快速擴散至上方區域，有助于控制氫氣影響范圍，確保燃料電池工作的安全、穩定性。

3.2 質子交換膜燃料電池的具體應用

3.2.1 電動汽車

在新時期汽車行業產業化發展中，為使我國在世界汽車工業中處于有利地位，增強我國汽車工業核心競爭力。相關人員可通過質子交換膜燃料電池，縮短我國電動車技術與加拿大、美國等發達國家的技術間距。并且在我國質子交換膜燃料電池的深入研發中，各企業在應用質子交換膜燃料電池的基礎上，研發出以氫氣動力的游覽車，且該電動汽車內部電池結構，為氫氣質子交換膜燃料電池。之后，在2003年，我國推出第一輛利用質子交換膜燃料電池的混合動力轎車。并且隨著質子交換膜燃料電池關鍵技術的創新中，該燃料電池的電流輸出功率，已經可以達到150kW。在此背景下，質子交換膜燃料電池在電動汽車行業的應用優勢不斷顯現，甚至獨立研發出大功率燃料電池發動裝置。該裝置本身的燃料使用率、重量、輸出功率、體積等關鍵指標，在國際市場現有燃料發動機中處于優質水平[3]。

3.2.2 軍事領域

目前，質子交換膜燃料電池在軍事領域中的應用，主要集中在海軍部門的水下無人作戰平臺、機器人中，同時可作為潛艇動力源。比如在德國在質子交換膜燃料電池驅動下，研制出常規動力組成較為先進的潛艇"U31"號。之后，俄羅斯、美國、加拿大等國家，基于質子交換膜燃料電池技術原理，積極談法燃料電池驅動型的水上、水下設備。而質子交換膜燃料電池在軍事領域中的實踐優勢，在于該燃料電池可進一步完善水下深潛器，為各國海軍布防提供遠距離勘察設備。并且由質子交換膜燃料電池，所制作的軍事潛艇，不僅能夠實現遠距離勘察的動力需求，還能憑借自身體積小、熱信號低等優勢，制作無人偵查機。

3.2.3 植保無人機

植保無人機是我國農業生產中的重要機械設備，但是傳統植保無人機因機身重量、鋰電池技術限制，無法在無人機設計中，有效增加無人機航行、續航時間。導致植保無人機使用過程中，續航時間僅能保持在10～30 min內，嚴重影響著植保無人機功能發揮。而質子交換膜燃料電池在植保無人機制作中，可與鋰電池混合發力，從而提升該類無人機航行時間，以延長無人機作業時間。以M-6160K型號的植保無人機為例，該無人機原有起飛質量約為22kg，單一的使用鋰電池，其續航時間一般為15min。而將質子交換膜燃料電池與鋰電池，共同為無人機發力時，無人機中燃料電池的額定功率增加至3000W，混合鋰電池所提供的10000mAh動力源，植保無人機起飛質量為25kg。同時可在無人機作業時，可按照無人機電子功率負荷測試裝置，滿足不同場景下無人機輸出功率需求，穩定切換電源。除此之外，該植保無人機在質子交換膜燃料電池應用中，續航時間明顯增加，每次作業時續航時間為45～50min。

4 結語

綜上所述，由于質子交換膜燃料電池研發工作中，所涉及的動力學、機械精密加工、電化學學科知識較多，導致質子電子交換膜燃料電池研究技術創新難度大。但是為發揮質子交換膜燃料電池在各領域的應用價值，相關人員需將燃料電池制作，集中在電池組件功能優化中。從而增強質子交換膜燃料電池基本性能，助力我國化工、電動汽車行業建設。