燃料電池熱管理 | 日立EA8000A助力效能優化

當前，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域。早期跡象表明，燃料電池有望成為鋰離子技術的可行且可持續的替代方案，并在全球擺脫化石燃料的轉型中發揮關鍵作用。

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

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

燃料電池內部熱管理

質子交換膜燃料電池需在嚴格控制的溫度范圍內運行，理想區間為60°C至80°C。溫度過低會導致電力輸出不足；溫度過高則會加速電池老化并降低性能。

 

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

質子交換膜燃料電池如何工作

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

以下是該過程的詳細步驟：

1. 氫氣供應：氫氣被輸送到燃料電池的陽極側。

2. 氫氣分解：氫分子在陽極被催化劑分解為質子和電子。

3. 質子傳輸：質子交換膜只允許質子通過至陰極側，同時阻擋電子。

4. 電子流動：電子通過外部電路移動，產生電流，從而為設備供電。

5. 氧氣供應：氧氣被輸送到燃料電池的陰極側。

6. 水的生成：氧氣與質子和電子在陰極側反應生成水。

    

整個反應過程僅產生水、電能和熱量，使得質子交換膜燃料電池成為一種清潔高效的能源。

能夠驗證熱元件分布的材料分析

一旦通過熱模擬優化了燃料電池活性層的厚度以實現高效率和適當冷卻，下一步便是按照精確規格制造燃料電池。材料分析有助于檢查生產過程是否符合設計參數。例如，膜電極組件（MEA）的X射線分析能夠識別膜上催化劑（如鉑）層的污染物或分布不均問題，這類問題會負面影響性能并導致熱管理不當。嚴重時，可能引發局部加熱和熱裂解，進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。結合X射線透射技術、光學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的顆粒異物。

鉑分布分析結果示例

為研究鉑涂層在膜上的分布，以5ms/像素的掃描速度對整個樣品（尺寸：35.9 mm × 35.9 mm）進行EDXRF分析，僅需14分鐘即可完成。分析結果表明，鉑并未均勻分布在樣品表面，某些區域形成了團簇，這可能導致燃料電池質量不佳或過早失效。

鐵異物分析結果示例

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

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

憑借 EA8000A 的先進功能，制造商能夠實現氫燃料電池的最佳熱管理，確保其長期商業可行性，并為全球擺脫化石燃料的轉型貢獻力量。