质子交换膜燃料电池的研究开发与应用

陈慕欣，柳佳欣，衣秀羽

(烟台九目化学股份有限公司，山东 烟台 264006)

在国内外新型动力源的深入研究中，各国对质子交换膜燃料电池制备、推广愈发重视。为在质子交换膜燃料电池的积极研发中，明确燃料电池使用性能，文章对质子交换膜燃料电池的研究开发与应用展开讨论。

1 质子交换膜燃料电池相关概述

质子交换膜燃料电池结构组成中，其电解质类型是薄层聚合物半透膜，该电池在工作环境中，可接受的温度条件为25～75 ℃。而电池所输出的电功率约为55～245kW中，同时在薄膜电解质作用下，电池柔韧性较强，不会在工作期间出现破损现象，甚至能够在低温环境中稳定运行，所以经常用于汽车、电子设备内部设计中。现阶段，质子交换膜燃料电池普及率不断提高，已经显现出赶超其他类燃料电池的趋势。但是由于质子交换膜燃料电池在实际工作中，容易产生难以逆转的能耗，且电池所输出的电压低于热力学理论所测算的工作电压。所以在分析该电池的输入电压时，可在用预算电压减去电池电压损耗，以获取实际电压值数[1]。

2 质子交换膜燃料电池的研究开发现状

现阶段，国内在质子交换膜燃料电池研发中，主要集中在电池组分中质子交换膜、催化剂、电机组件的研究中，并且已经取得较大进展。首先，在催化剂方面，相关人员所研制的铂/碳电极催化剂，能够将催化剂中的碳载体布设在流动性的Co中，并将Co气体加热至300～850 ℃中，使其在活化处理状态保持12 h。然后借助沉淀法原理，将Pt转移到碳载体上，最终获取Pt/C催化剂。

其次，在电机组合件方面，某企业基于“横板涂敷法”，通过在同一质子交换膜中，制作多个膜电极以组成质子交换膜燃料电池。同时在扩散层、催化层构成膜电极后，组装发电单元，支持质子交换膜燃料电池运行。除此之外，研究人员利用石墨、SiO2、Ag、BO、PbO等材料组成的复合型后厚膜电极，可在与导电粉末、非金属材料无机粘合剂融合中，建立微观型的网络式的电流导电通道。最后，我国对于质子交换膜的研发，是在聚偏氟乙烯、甲基吡咯烷酮等溶液混合后，将其加热处理直至甲基吡咯烷酮溶液沸腾。在溶液内部温度回流半小时后，将90 ℃的溶液混合剂，倒入引发剂中，经储存、降温、沉淀后取出溶液内固体制作为质子交换膜[2]。

3 质子交换膜燃料电池的应用

3.1 质子交换膜燃料电池的应用优势

随着燃料电池在各行业中的渗透，相关人员尝试将燃料电池用于手机、笔记本电脑等移动设备中，并且由于移动设备电源需具备质地轻巧、能量占比高等特征。使得燃料电池因自身能力密度高的使用优势，逐渐形成产业化应用模式，市场竞争力较强。并且质子交换膜燃料电池无需额外充电，所以作为军事领域的士兵携带型电源，用以完善单兵装备。再者，传统燃料工具大量生产、使用时，造成的生态环境污染、资源损耗问题愈发突出，而燃料为氢气的质子交换膜燃料电池，却能够在保障电源能量效率的基础上，控制燃料感染、解决资源短缺问题。除此之外，以氢气质子交换膜燃料电池具有一定的安全性，既是出现少量气体泄露问题，同样可利用空气快速将氢气稀释，形成低浓度的安全混合气体。或是在密闭空间中，氢气可快速扩散至上方区域，有助于控制氢气影响范围，确保燃料电池工作的安全、稳定性。

3.2 质子交换膜燃料电池的具体应用

3.2.1 电动汽车

在新时期汽车行业产业化发展中，为使我国在世界汽车工业中处于有利地位，增强我国汽车工业核心竞争力。相关人员可通过质子交换膜燃料电池，缩短我国电动车技术与加拿大、美国等发达国家的技术间距。并且在我国质子交换膜燃料电池的深入研发中，各企业在应用质子交换膜燃料电池的基础上，研发出以氢气动力的游览车，且该电动汽车内部电池结构，为氢气质子交换膜燃料电池。之后，在2003年，我国推出第一辆利用质子交换膜燃料电池的混合动力轿车。并且随着质子交换膜燃料电池关键技术的创新中，该燃料电池的电流输出功率，已经可以达到150kW。在此背景下，质子交换膜燃料电池在电动汽车行业的应用优势不断显现，甚至独立研发出大功率燃料电池发动装置。该装置本身的燃料使用率、重量、输出功率、体积等关键指标，在国际市场现有燃料发动机中处于优质水平[3]。

3.2.2 军事领域

目前，质子交换膜燃料电池在军事领域中的应用，主要集中在海军部门的水下无人作战平台、机器人中，同时可作为潜艇动力源。比如在德国在质子交换膜燃料电池驱动下，研制出常规动力组成较为先进的潜艇"U31"号。之后，俄罗斯、美国、加拿大等国家，基于质子交换膜燃料电池技术原理，积极谈法燃料电池驱动型的水上、水下设备。而质子交换膜燃料电池在军事领域中的实践优势，在于该燃料电池可进一步完善水下深潜器，为各国海军布防提供远距离勘察设备。并且由质子交换膜燃料电池，所制作的军事潜艇，不仅能够实现远距离勘察的动力需求，还能凭借自身体积小、热信号低等优势，制作无人侦查机。

3.2.3 植保无人机

植保无人机是我国农业生产中的重要机械设备，但是传统植保无人机因机身重量、锂电池技术限制，无法在无人机设计中，有效增加无人机航行、续航时间。导致植保无人机使用过程中，续航时间仅能保持在10～30 min内，严重影响着植保无人机功能发挥。而质子交换膜燃料电池在植保无人机制作中，可与锂电池混合发力，从而提升该类无人机航行时间，以延长无人机作业时间。以M-6160K型号的植保无人机为例，该无人机原有起飞质量约为22kg，单一的使用锂电池，其续航时间一般为15min。而将质子交换膜燃料电池与锂电池，共同为无人机发力时，无人机中燃料电池的额定功率增加至3000W，混合锂电池所提供的10000mAh动力源，植保无人机起飞质量为25kg。同时可在无人机作业时，可按照无人机电子功率负荷测试装置，满足不同场景下无人机输出功率需求，稳定切换电源。除此之外，该植保无人机在质子交换膜燃料电池应用中，续航时间明显增加，每次作业时续航时间为45～50min。

4 结语

综上所述，由于质子交换膜燃料电池研发工作中，所涉及的动力学、机械精密加工、电化学学科知识较多，导致质子电子交换膜燃料电池研究技术创新难度大。但是为发挥质子交换膜燃料电池在各领域的应用价值，相关人员需将燃料电池制作，集中在电池组件功能优化中。从而增强质子交换膜燃料电池基本性能，助力我国化工、电动汽车行业建设。