- 新型PEM燃料電池功率為傳統設計的四倍。
- 新材料界面促進質子更高效傳輸，解決了傳統挑戰。
- 技術對航空航天系統有重要意義，符合能源需求。
- 中國氫能產業擴展，未來仍需克服成本效益挑戰。
一組中國科學家開發出一種新型質子交換膜（PEM）燃料電池，其輸出功率為傳統設計的四倍。這一進展有望提升氫能系統在汽車及航空航天應用中的實用性。這項技術解決了氫燃料電池的一個重大挑戰，即質子穿越負責發電的催化劑層的速度。研究人員設計了一種新型材料界面，以促進電池內部更高效的質子傳輸。北京理工大學助理教授李傑表示，這項新技術使得「燃料電池車的功率堆疊可以變得更小、更輕，並且該車輛可以獲得更強的持續輸出和更長的行駛範圍。」
質子的快速通道 PEM 燃料電池通常在攝氏 60 至 80 度的範圍內運行，並將約 50% 至 60% 的氫氣儲存能量轉換為電能。在電池內，氫分子在陽極釋放電子和質子。質子穿越電解質膜，而電子則通過外部電路生成電能。在陰極，質子和電子與氧氣結合生成水。催化劑層長期以來一直存在挑戰。材料如 Nafion 可以在納米級密集包圍催化劑，阻礙質子快速傳輸到反應位點。
新材料界面提升質子傳輸
北京理工大學團隊開發了一種布朗斯特酸-路易斯鹼界面，提供了額外的質子轉移位點。實驗結果顯示質子擴散提高了十倍，質子導電性提高了 6.5 倍。激活能量則減少了一半以上。
四倍的功率 在標準操作條件下，這種新型燃料電池在 0.7 伏特時達到每平方釐米 0.75 瓦特的功率，約為傳統設計的四倍。該系統顯示出每克鉑的功率為 6.9 千瓦，這一指標十分重要，因為鉑作為燃料電池催化劑的高成本。經過 30,000 次加速壓力測試循環後，新系統保留了其初始峯值功率的 63%，而在相同條件下，傳統系統僅保留了 30%。研究人員指出，這種複合材料可以在實際規模上生產。
「在實驗室中，他們目前可以在三天內製作約 100 克，這足以支持 10 個 100 千瓦級的堆疊。」李傑表示。
技術在航空航天的應用
超越道路交通的可能性 這項技術在對重量、空間限制和功率密度有關鍵考量的應用中可能具有優勢。研究人員強調，其對於利用液氧的航空航天系統具有重要意義，因為高效的質子傳輸能顯著影響整體燃料電池的性能。「我們的技術解決瞭如何在更小的堆疊體積內以更高的效率和更高的功率密度產生電力的問題。這正符合航空航天能源系統的需求。」李傑表示。這一進展恰逢中國氫能產業的擴展。到 2025 年底，中國的氫氣生產能力將超過 5100 萬噸每年。
中國還佔據了 53% 的利用電解水產生的可再生氫項目。
擴大規模仍是下一個挑戰 到 2025 年底，中國的燃料電池車輛數量約為 32,000 輛。2026 年 3 月，三個中央政府部門設定了到 2030 年達到 100,000 輛燃料電池車的目標，並推動氫氣價格降至每公斤 RMB¥25 (約 HK$28)。這項新技術仍需證明能夠在工業規模上以具有成本效益的方式生產，同時保持長期的安全性和可靠性。「燃料電池車不需要模仿電池電動車。
電池電動車適合短途旅行，燃料電池則適合重型卡車、長途運輸及需要快速加油和長續航的情況。」李傑表示。「接下來，團隊將為不同場景建設及測試高性能燃料電池堆疊。我們還將擴大相關材料和技術，並將其轉化為實際產品。」該團隊的研究結果已發表在《科學》期刊上。
項目 規格 輸出功率 每平方釐米 0.75 瓦特 每克鉑功率 6.9 千瓦 質子擴散提高 十倍 質子導電性提高 6.5 倍 初始峯值功率保留率 63%
新型氫燃料電池的潛在影響
這項新型氫燃料電池技術的突破，顯示出在提升功率和效率方面的潛力，尤其在汽車和航空航天領域具有重要意義。隨著中國氫能產業的快速擴展，這種技術的成功應用將有助於推動氫燃料車的普及，並可能改變重型運輸的能源使用方式。然而，實現工業規模的生產和保持成本效益仍然是未來發展的關鍵挑戰。