- 新型PEM燃料电池功率为传统设计的四倍。
- 新材料界面促进质子更高效传输，解决了传统挑战。
- 技术对航空航天系统有重要意义，符合能源需求。
- 中国氢能产业扩展，未来仍需克服成本效益挑战。
一组中国科学家开发出了一种新型质子交换膜（PEM）燃料电池，其输出功率为传统设计的四倍。这一进展有望提升氢能系统在汽车及航空航天应用中的实用性。这项技术解决了氢燃料电池的一个重大挑战，即质子穿越负责发电的催化剂层的速度。研究人员设计了一种新型材料界面，以促进电池内部更高效的质子传输。北京理工大学助理教授李杰表示，这项新技术使得“燃料电池车的功率堆叠可以变得更小、更轻，并且该车辆可以获得更强的持续输出和更长的行驶范围。”
质子的快速通道 PEM 燃料电池通常在摄氏60至80度的范围内运行，并将约50%至60%的氢气储存能量转换为电能。在电池内，氢分子在阳极释放电子和质子。质子穿越电解质膜，而电子则通过外部电路生成电能。在阴极，质子和电子与氧气结合生成水。催化剂层长期以来一直存在挑战。材料如Nafion可以在纳米级密集包围催化剂，阻碍质子快速传输到反应位点。
新材料界面提升质子传输
北京理工大学团队开发了一种布朗斯特酸-路易斯碱界面，提供了额外的质子转移位点。实验结果显示质子扩散提高了十倍，质子导电性提高了6.5倍。激活能量则减少了一半以上。
四倍的功率 在标准操作条件下，这种新型燃料电池在0.7伏特时达到每平方厘米0.75瓦特的功率，约为传统设计的四倍。该系统显示出每克铂的功率为6.9千瓦，这一指标十分重要，因为铂作为燃料电池催化剂的高成本。经过30,000次加速压力测试循环后，新系统保留了其初始峰值功率的63%，而在相同条件下，传统系统仅保留了30%。研究人员指出，这种复合材料可以在实际规模上生产。
“在实验室中，他们目前可以在三天内制作约100克，这足以支持10个100千瓦级的堆叠。”李杰表示。
技术在航空航天的应用
超越道路交通的可能性 这项技术在对重量、空间限制和功率密度有关键考量的应用中可能具有优势。研究人员强调，其对于利用液氧的航空航天系统具有重要意义，因为高效的质子传输能显著影响整体燃料电池的性能。“我们的技术解决了如何在更小的堆叠体积内以更高的效率和更高的功率密度产生电力的问题。这正符合航空航天能源系统的需求。”李杰表示。这一进展恰逢中国氢能产业的扩展。到2025年底，中国氢气的生产能力将超过5100万吨每年。
中国还占据了53%的利用电解水产生的可再生氢项目。
扩大规模仍是下一个挑战 到2025年底，中国的燃料电池车辆数量约为32,000辆。2026年3月，三个中央政府部门设定了到2030年达到100,000辆燃料电池车的目标，并推动氢气价格降至每公斤RMB¥25（约HK$28）。这项新技术仍需证明能够在工业规模上以具有成本效益的方式生产，同时保持长期的安全性和可靠性。“燃料电池车不需要模仿电池电动车。”
电池电动车适合短途旅行，燃料电池则适合重型卡车、长途运输及需要快速加油和长续航的情况。”李杰表示。“接下来，团队将为不同场景建设及测试高性能燃料电池堆叠。我们还将扩大相关材料和技术的应用，并将其转化为实际产品。”该团队的研究结果已发表在《科学》期刊上。
项目 规格 输出功率 每平方厘米0.75瓦特 每克铂功率 6.9千瓦 质子扩散提高 十倍 质子导电性提高 6.5倍 初始峰值功率保留率 63%
新型氢燃料电池的潜在影响
这项新型氢燃料电池技术的突破，显示出在提升功率和效率方面的潜力，尤其在汽车和航空航天领域具有重要意义。随着中国氢能产业的快速扩展，这种技术的成功应用将有助于推动氢燃料车的普及，并可能改变重型运输的能源使用方式。然而，实现工业规模的生产和保持成本效益仍然是未来发展的关键挑战。