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(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,，適用于交通運輸和固定式發(fā)電等多種應用場景,。

為確保燃料電池保持長期的商業(yè)可行性，必須通過嚴格控制關鍵參數(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格控制的溫度范圍內(nèi)運行,，理想?yún)^(qū)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(nèi)部溫度并非易事,。氫氣轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(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反應產(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步驟：

1. 氫氣供應：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),，同時阻擋電子,。

4. 電子流動：電子通過外部電路移動，產(chǎn)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(cè)。

6. 水的生成：氧氣與質(zhì)子和電子在陰極側(cè)反應生成水,。

    

整個反應過程僅產(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現(xiàn)高效率和適當冷卻,，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)過程是否符合設計參數(shù),。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(fā)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(jié)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(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(jié)果表明，鉑并未均勻分布在樣品表面,，某些區(qū)域形成了團簇,，這可能導致燃料電池質(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(nèi)確認了顆粒性質(zhì),。

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(zhì)量和耐用性,，同時降低生產(chǎn)成本、減少浪費,。其顯著優(yōu)勢在于能夠分析膜內(nèi)部（表面以下）的異物,，這對保障膜電極組件的生產(chǎn)安全性至關重要。

憑借 EA8000A 的先進功能,，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)型貢獻力量,。