當(dāng)前，氫燃料電池正迎來顯著增長，尤其在商用卡車和公共汽車領(lǐng)域。早期跡象表明，燃料電池有望成為鋰離子技術(shù)的可行且可持續(xù)的替代方案，并在全球擺脫化石燃料的轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

在眾多氫燃料電池類型中，質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池尤為突出。其高效性和多功能性使其廣受青睞，適用于交通運(yùn)輸和固定式發(fā)電等多種應(yīng)用場景。

為確保燃料電池保持長期的商業(yè)可行性，必須通過嚴(yán)格控制關(guān)鍵參數(shù)（尤其是溫度）來保障其性能的可靠性。

燃料電池內(nèi)部熱管理

質(zhì)子交換膜燃料電池需在嚴(yán)格控制的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，理想?yún)^(qū)間為60°C至80°C。溫度過低會(huì)導(dǎo)致電力輸出不足；溫度過高則會(huì)加速電池老化并降低性能。

 

控制燃料電池內(nèi)部溫度并非易事。氫氣轉(zhuǎn)化為電能的過程會(huì)釋放大量熱量，需謹(jǐn)慎管理這些熱量以確保電池正常運(yùn)行。由于燃料電池必須在狹窄的溫度窗口內(nèi)工作，僅增加大型散熱器顯然不夠。必須對(duì)燃料電池所有元件的溫度分布進(jìn)行熱模擬，包括活性層（如離子交換膜）、催化劑層、氣體擴(kuò)散層和雙極板。燃料電池內(nèi)部的熱量分布依賴于導(dǎo)熱元件，因此熱成像成為設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)。

質(zhì)子交換膜燃料電池如何工作

質(zhì)子交換膜燃料電池通過氫氣和氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。其核心部分是位于陽極和陰極之間的質(zhì)子交換膜，兩側(cè)均涂有催化劑層。這些涂層與其他部件共同構(gòu)成膜電極組件（MEA）。

以下是該過程的詳細(xì)步驟：

1. 氫氣供應(yīng)：氫氣被輸送到燃料電池的陽極側(cè)。

2. 氫氣分解：氫分子在陽極被催化劑分解為質(zhì)子和電子。

3. 質(zhì)子傳輸：質(zhì)子交換膜只允許質(zhì)子通過至陰極側(cè)，同時(shí)阻擋電子。

4. 電子流動(dòng)：電子通過外部電路移動(dòng)，產(chǎn)生電流，從而為設(shè)備供電。

5. 氧氣供應(yīng)：氧氣被輸送到燃料電池的陰極側(cè)。

6. 水的生成：氧氣與質(zhì)子和電子在陰極側(cè)反應(yīng)生成水。

    

整個(gè)反應(yīng)過程僅產(chǎn)生水、電能和熱量，使得質(zhì)子交換膜燃料電池成為一種清潔高效的能源。

能夠驗(yàn)證熱元件分布的材料分析

一旦通過熱模擬優(yōu)化了燃料電池活性層的厚度以實(shí)現(xiàn)高效率和適當(dāng)冷卻，下一步便是按照精確規(guī)格制造燃料電池。材料分析有助于檢查生產(chǎn)過程是否符合設(shè)計(jì)參數(shù)。例如，膜電極組件（MEA）的X射線分析能夠識(shí)別膜上催化劑（如鉑）層的污染物或分布不均問題，這類問題會(huì)負(fù)面影響性能并導(dǎo)致熱管理不當(dāng)。嚴(yán)重時(shí)，可能引發(fā)局部加熱和熱裂解，進(jìn)一步破壞電池的熱傳輸性能。材料分析還可用于故障模式分析，檢查失效或性能不佳電池中的物理和化學(xué)性能異常。

EA8000A 用于分析膜電極組件上的貴金屬催化劑分布和異物

日立分析儀器 EA8000A 是一款多功能分析儀，專門用于檢測樣品（如膜電極組件）深層的金屬異物和顆粒分布。結(jié)合X射線透射技術(shù)、光學(xué)顯微鏡和能量色散型X射線熒光光譜儀（EDXRF），EA8000A 能夠快速定位并表征大面積范圍內(nèi)的顆粒異物。

鉑分布分析結(jié)果示例

為研究鉑涂層在膜上的分布，以5ms/像素的掃描速度對(duì)整個(gè)樣品（尺寸：35.9 mm × 35.9 mm）進(jìn)行EDXRF分析，僅需14分鐘即可完成。分析結(jié)果表明，鉑并未均勻分布在樣品表面，某些區(qū)域形成了團(tuán)簇，這可能導(dǎo)致燃料電池質(zhì)量不佳或過早失效。

鐵異物分析結(jié)果示例

將已知尺寸的鐵顆粒（直徑：30 µm，厚度：20 µm）置于膜和氣體擴(kuò)散層下方，以測試 EA8000A 的檢測能力。X射線透射成像清晰識(shí)別出顆粒位置（左上方深色點(diǎn)），隨后EDXRF分析在40秒內(nèi)確認(rèn)了顆粒性質(zhì)。

EA8000A 的多功能性不僅支持異物檢測，還能驗(yàn)證膜上鉑（及其他元素如鈰）的分布，從而確保燃料電池的質(zhì)量和耐用性，同時(shí)降低生產(chǎn)成本、減少浪費(fèi)。其顯著優(yōu)勢在于能夠分析膜內(nèi)部（表面以下）的異物，這對(duì)保障膜電極組件的生產(chǎn)安全性至關(guān)重要。

憑借 EA8000A 的先進(jìn)功能，制造商能夠?qū)崿F(xiàn)氫燃料電池的最佳熱管理，確保其長期商業(yè)可行性，并為全球擺脫化石燃料的轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)力量。