質(zhì)子交換膜燃料電池的研究開發(fā)與應(yīng)用

陳慕欣，柳佳欣，衣秀羽

(煙臺九目化學(xué)股份有限公司，山東 煙臺 264006)

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

1 質(zhì)子交換膜燃料電池相關(guān)概述

質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)組成中，其電解質(zhì)類型是薄層聚合物半透膜，該電池在工作環(huán)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(zhì)作用下，電池柔韌性較強，不會在工作期間出現(xiàn)破損現(xiàn)象，甚至能夠在低溫環(huán)境中穩(wěn)定運行，所以經(jīng)常用于汽車、電子設(shè)備內(nèi)部設(shè)計中?，F(xiàn)階段，質(zhì)子交換膜燃料電池普及率不斷提高，已經(jīng)顯現(xiàn)出趕超其他類燃料電池的趨勢。但是由于質(zhì)子交換膜燃料電池在實際工作中，容易產(chǎn)生難以逆轉(zhuǎn)的能耗，且電池所輸出的電壓低于熱力學(xué)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(yù)算電壓減去電池電壓損耗，以獲取實際電壓值數(shù)[1]。

2 質(zhì)子交換膜燃料電池的研究開發(fā)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，國內(nèi)在質(zhì)子交換膜燃料電池研發(fā)中，主要集中在電池組分中質(zhì)子交換膜、催化劑、電機組件的研究中，并且已經(jīng)取得較大進展。首先，在催化劑方面，相關(guān)人員所研制的鉑/碳電極催化劑，能夠?qū)⒋呋瘎┲械奶驾d體布設(shè)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(tài)保持12 h。然后借助沉淀法原理，將Pt轉(zhuǎn)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(yè)基于“橫板涂敷法”，通過在同一質(zhì)子交換膜中，制作多個膜電極以組成質(zhì)子交換膜燃料電池。同時在擴散層、催化層構(gòu)成膜電極后，組裝發(fā)電單元，支持質(zhì)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(fù)合型后厚膜電極，可在與導(dǎo)電粉末、非金屬材料無機粘合劑融合中，建立微觀型的網(wǎng)絡(luò)式的電流導(dǎo)電通道。最后，我國對于質(zhì)子交換膜的研發(fā)，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(nèi)部溫度回流半小時后，將90 ℃的溶液混合劑，倒入引發(fā)劑中，經(jīng)儲存、降溫、沉淀后取出溶液內(nèi)固體制作為質(zhì)子交換膜[2]。

3 質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用

3.1 質(zhì)子交換膜燃料電池的應(yīng)用優(yōu)勢

隨著燃料電池在各行業(yè)中的滲透，相關(guān)人員嘗試將燃料電池用于手機、筆記本電腦等移動設(shè)備中，并且由于移動設(shè)備電源需具備質(zhì)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(yōu)勢，逐漸形成產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用模式，市場競爭力較強。并且質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)o需額外充電，所以作為軍事領(lǐng)域的士兵攜帶型電源，用以完善單兵裝備。再者，傳統(tǒng)燃料工具大量生產(chǎn)、使用時，造成的生態(tài)環(huán)境污染、資源損耗問題愈發(fā)突出，而燃料為氫氣的質(zhì)子交換膜燃料電池，卻能夠在保障電源能量效率的基礎(chǔ)上，控制燃料感染、解決資源短缺問題。除此之外，以氫氣質(zhì)子交換膜燃料電池具有一定的安全性，既是出現(xiàn)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?；蚴窃诿荛]空間中，氫氣可快速擴散至上方區(qū)域，有助于控制氫氣影響范圍，確保燃料電池工作的安全、穩(wěn)定性。

3.2 質(zhì)子交換膜燃料電池的具體應(yīng)用

3.2.1 電動汽車

在新時期汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中，為使我國在世界汽車工業(yè)中處于有利地位，增強我國汽車工業(yè)核心競爭力。相關(guān)人員可通過質(zhì)子交換膜燃料電池，縮短我國電動車技術(shù)與加拿大、美國等發(fā)達國家的技術(shù)間距。并且在我國質(zhì)子交換膜燃料電池的深入研發(fā)中，各企業(yè)在應(yīng)用質(zhì)子交換膜燃料電池的基礎(chǔ)上，研發(fā)出以氫氣動力的游覽車，且該電動汽車內(nèi)部電池結(jié)構(gòu)，為氫氣質(zhì)子交換膜燃料電池。之后，在2003年，我國推出第一輛利用質(zhì)子交換膜燃料電池的混合動力轎車。并且隨著質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新中，該燃料電池的電流輸出功率，已經(jīng)可以達到150kW。在此背景下，質(zhì)子交換膜燃料電池在電動汽車行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢不斷顯現(xiàn)，甚至獨立研發(fā)出大功率燃料電池發(fā)動裝置。該裝置本身的燃料使用率、重量、輸出功率、體積等關(guān)鍵指標，在國際市場現(xiàn)有燃料發(fā)動機中處于優(yōu)質(zhì)水平[3]。

3.2.2 軍事領(lǐng)域

目前，質(zhì)子交換膜燃料電池在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用，主要集中在海軍部門的水下無人作戰(zhàn)平臺、機器人中，同時可作為潛艇動力源。比如在德國在質(zhì)子交換膜燃料電池驅(qū)動下，研制出常規(guī)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(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)原理，積極談法燃料電池驅(qū)動型的水上、水下設(shè)備。而質(zhì)子交換膜燃料電池在軍事領(lǐng)域中的實踐優(yōu)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(shè)備。并且由質(zhì)子交換膜燃料電池，所制作的軍事潛艇，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)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(yōu)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要機械設(shè)備，但是傳統(tǒng)植保無人機因機身重量、鋰電池技術(shù)限制，無法在無人機設(shè)計中，有效增加無人機航行、續(xù)航時間。導(dǎo)致植保無人機使用過程中，續(xù)航時間僅能保持在10～30 min內(nèi)，嚴重影響著植保無人機功能發(fā)揮。而質(zhì)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(fā)力，從而提升該類無人機航行時間，以延長無人機作業(yè)時間。以M-6160K型號的植保無人機為例，該無人機原有起飛質(zhì)量約為22kg，單一的使用鋰電池，其續(xù)航時間一般為15min。而將質(zhì)子交換膜燃料電池與鋰電池，共同為無人機發(fā)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(zhì)量為25kg。同時可在無人機作業(yè)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(wěn)定切換電源。除此之外，該植保無人機在質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用中，續(xù)航時間明顯增加，每次作業(yè)時續(xù)航時間為45～50min。

4 結(jié)語

綜上所述，由于質(zhì)子交換膜燃料電池研發(fā)工作中，所涉及的動力學(xué)、機械精密加工、電化學(xué)學(xué)科知識較多，導(dǎo)致質(zhì)子電子交換膜燃料電池研究技術(shù)創(chuàng)新難度大。但是為發(fā)揮質(zhì)子交換膜燃料電池在各領(lǐng)域的應(yīng)用價值，相關(guān)人員需將燃料電池制作，集中在電池組件功能優(yōu)化中。從而增強質(zhì)子交換膜燃料電池基本性能，助力我國化工、電動汽車行業(yè)建設(shè)。