燃料电池关键因素：催化剂、水管理和成本优化

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：让我们以难度依次降低的顺序，罗列出最受关注的关键因素：1）催化剂的效率、寿命和成本。9）水的管理与排放。图6-8 燃料电池中的关键因素PEMFC最主要的问题是在电池运行过程中，膜需要保持充分的水合状态。至于SOFC所遇到首要问题，与高温和陶瓷材料的制造难度相关，而不是膜；因为电极、接头和外壳要在800℃以上的温度区运行。碱性燃料电池因为成本相对较低、可在低温运行而受到关注，不过其不足之处是寿命比PEMFC短。

燃料电池技术以及如何管理运行还远远没有被完全掌握。燃料电池还没有真正实现商业化，仍属研究阶段。让我们以难度（取决于电池类型，因此也并不绝对）依次降低的顺序，罗列出最受关注的关键因素：

1）催化剂的效率、寿命和成本。

2）隔板的良好离子传导性、机械可靠性和稳定性。

3）隔板的阻气能力（SOFC）。

4）隔板的电阻。

5）电接触部分的性能（双极板）。

6）隔板的水密性。

7）膜的水合性（PEMFC）。

8）热管理。

9）水的管理与排放。(https://www.chuimin.cn)

图6-8指出了这些关键因素在燃料电池中的位置。

图6-8 燃料电池中的关键因素（成本除外）

PEMFC最主要的问题是在电池运行过程中，膜需要保持充分的水合状态。为了确保良好的传导性，膜必须含有一定量的水。水量的多少根据电池工作温度和管理策略变化，不能低于一定的阈值，因为水越少，膜的传导性越差，电池性能下降就越多，进而水通量越大，促使膜加速变干，最后导致膜穿孔破坏。反之，如果膜的孔道中水分过多，会占据离子位置，妨碍质子传输（也称作膜水淹）。

至于SOFC所遇到首要问题，与高温和陶瓷材料的制造难度相关，而不是膜；因为电极、接头和外壳要在800℃以上的温度区运行。特别是，它们各不相同的膨胀率还要符合电池在停止/启动等不同阶段的需求。正因如此，宁可让电池的工作状态缓慢变化，也不要完全停止运行。比如，在储能用的装置中就不会出现这种问题。

碱性燃料电池因为成本相对较低、可在低温运行而受到关注，不过其不足之处是寿命比PEMFC短。电极寿命受限于它在碱性环境中的抗腐蚀性，而且必须严格控制环境成分，以防止催化剂性能的快速降低。

不论何种类型的电池，隔膜厚度的选择都是一个折中问题。追求最佳传导性不一定正确，因为最终需求是传导率G，而不是传导性σ，尽管它们之间存在比例关系（对均质膜）：

为了优化膜的传导率，设计者往往会增大膜面积A，同时降低膜厚度l。但是，成本也会随着膜面积的增大成比例增加，而机械脆性却与厚度成反比。在“最薄”以确保膜获得最大传导率，和“最厚”以保证膜具有良好的机械性能之间，很难找到最佳的折中方案，这需要由具体应用和功能决定。

燃料电池关键因素：催化剂、水管理和成本优化

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