前沿 | 離子交換膜燃料電池
燃料電池
能源是社會文明和經濟進步的基礎，我國將具有多樣性和均衡性特徵的能源資源視作國家安全的重要組成部分。其中，以氫能爲代表的新能源轉換體系是能源體系建設中的重大機遇和挑戰。燃料電池是氫能轉換體系的核心技術。這項技術因其靈活性、可行性和快速啓動而備受關注，並幾乎已在所有可想象的應用中得到證明。
燃料電池工作原理最早於1839年由德國化學家 Christian Friedrich Schönbein 提出，後發展出多種不同的種類，包括鹼性燃料電池（AFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和離子交換膜燃料電池（PEMFC，也稱質子交換膜燃料電池）。從商業應用上來看，熔融碳酸鹽燃料電池、離子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池是最主要的三種技術路線。中國主要集中在離子交換膜燃料電池和固體氧化物燃料電池領域開展研發和產業化。其中，離子交換膜燃料電池已被公認爲新能源電動汽車電源的最優選項之一。
離子交換膜燃料電池優勢凸顯。從結構組成來看，離子交換膜燃料電池是典型的全固態機械結構，無可移動組件，本徵上具備高可靠性和長壽命性，服役狀態下無部件發生移動，也就不會產生噪聲污染。從反應歷程來看，反應物與產物十分簡單，綠色環保。此外，不同於普通電池，離子交換膜燃料電池允許功率縮放（由燃料電池的尺寸決定）和容量縮放（由燃料儲存器尺寸決定）。普通電池中，功率和容量是互相關聯的，很難將尺寸做到大型。而離子交換膜燃料電池的特點決定了其可以很容易地從瓦級（小型便攜設備）做到兆瓦級（供能源工廠使用）。相較於普通電池要麼不可重複利用，要麼靠插件費時地充電的弊端，離子交換膜燃料電池可提供更高的能量密度，並可通過快速補充燃料實現快速充電。這一電池技術是實現低碳運輸的關鍵，利用可再生能源氫與氧反應產生的電能，溫室氣體排放有望減少到零。
隨着這一技術的不斷成熟，相關產品已逐步進入商業化應用階段。在國家一系列重大項目的支持下，我國離子交換膜燃料電池技術取得了一定進展，部分關鍵技術實驗室水平已接近國際先進水平，但工程化、產業化水平滯後，總體技術水平落後於日本、韓國等國家。
目前，燃料電池車、電動車和燃油車產業分別處於導入期、成長期和成熟期，未來，隨着氫能及燃料電池技術自主化和規模產業化，用氫成本和製造成本將迅速下降，全生命週期的成本優勢將持續擴大。
離子交換膜燃料電池
《離子交換膜燃料電池》一書是中國科學院長春應用化學研究所先進化學電源實驗室相關多年工作的認知與積累，是“十四五”時期國家重點出版物出版專項規劃項目“電化學科學與工程技術叢書（孫世剛總主編）”分冊之一，作者邢巍、劉長鵬、葛君傑。本書內容從電催化基本概念、過程和電化學測量等基礎理論部分，到對燃料電池的電催化劑的設計製備和構效關係研究；從氫氣、氧氣及有機小分子的電催化機理，到酸性、鹼性氫氧燃料電池等的電催化應用；在緊緊圍繞前沿研究方向的同時，也重點關注了反應器控制和電堆中性能的高效表達，並對離子交換膜燃料電池未來的研究方向進行了討論。在燃料電池技術近年來發展十分迅猛的時期，本書的出版將十分有助於我國從事相應研究領域的研究生和青年科技人員掌握最新的知識與發展動態，更好地從事相關學術研究。
具體章節分爲：第 1 章介紹離子交換膜燃料電池的電催化基礎，涉及基本概念、基本過程和電化學測量；第 2 章和第 3 章從微觀層面研究燃料電池陽極側反應，還概述了該領域當前進展；第 4 章介紹燃料電池陰極側的氧還原反應；第 5 章關注的重點是反應器控制和電堆中性能的高效表達；第 6 章討論離子交換膜燃料電池未來的研究方向。
目錄速覽
作者簡介
邢巍，中國科學院長春應用化學研究所研究員、博士生導師，所學術委員會常委，中國化學會電化學專業委員會主任，國際電化學會會員，吉林省第一批重大科技項目研發人才團隊帶頭人。研究興趣聚焦在質子交換膜（PEM）氫-電能量轉化基礎研究與應用技術。完成/主持了“十三五”/“十四五”國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金重點項目等多項科研項目。發表SCI論文300餘篇，他引20000餘次；授權專利50餘項，轉讓多項；獲省部級科技獎勵4項。
劉長鵬，中國科學院長春應用化學研究所研究員，博士生導師。主要從事質子交換膜電解水（PEMWE）制氫、燃料電池、電催化等方面的研究工作。先後主持承擔了科技部863計劃課題、973計劃子課題，國家自然科學基金面上項目，中國科學院科研儀器設備研製項目等。發表相關論文260餘篇，申請及授權專利30餘項，獲吉林省自然科學獎一等獎、吉林省科技進步獎二等獎等科技獎勵。
葛君傑，中國科學技術大學教授、博士生導師。國家級高層次青年人才計劃獲得者、中國科學院特聘崗位研究員、英國皇家化學會會士。國家重點研發計劃青年科學家項目、國家自然科學基金聯合基金重點項目負責人。研究興趣爲氫能源與燃料電池，近年來聚焦氫能與燃料電池催化劑、關鍵部件、膜電極研究，成果發表在PNAS，J. Am. Chem. Soc.，NSR，Joule等國內外期刊。
（本文編輯：王芳）
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