深入解析质子交换膜燃料电池的工作原理

氢是宇宙中含量最丰富的元素，是一种几乎无限的能源。随着可持续发展理念推动诸多领域的能源技术创新，氢燃料电池作为一种没有直接排放的发电设备，正展现出广阔的应用前景。

这些电化学系统已应用于氢燃料电池电动汽车（FCEV），以及为数据中心和医院提供备用电源。它们的未来应用包括实现海运和航空的脱碳化，以及集成到可再生能源系统中用于稳定电网。

对于电气设计工程师而言，氢能系统面临着与传统电源截然不同的挑战。本文将探讨氢的能量循环、制取方法及其对可持续发展的影响，深入解析质子交换膜燃料电池的工作原理，并重点介绍将电能输出转化为可用电力所需的专用功率电子技术。

现代制氢技术

如何才能捕获我们身边无处不在的氢，并将其转化为燃料？目前，我们有多种方法可以采用，既有成熟的传统技术，也有各种创新方案。以下是四种主要制氢方法：

蒸汽甲烷重整（SMR）：将天然气与高温蒸汽和镍催化剂混合，生成氢气和二氧化碳。该工艺高效且成本低廉，但需要依赖化石燃料，并且会排放大量二氧化碳。

电解：使用电流将水分解，生成氢气和氧气。当使用可再生能源供电时，该工艺可以在没有直接排放的情况下生成高纯度氢气，但现阶段其成本依然较高。

光电化学水分解：采用特殊半导体吸收阳光并分解水。该方法目前仍处于研究和试验阶段。

生物制氢：微生物通过生物过程产生氢气。该工艺可与废弃物处理相结合，但需要在受控环境中进行，并且尚不具备规模化条件。

这些制氢方法都具有广阔前景，但电解法对电气工程师而言尤为重要，因为它代表着通过电气专业知识直接助力绿色能源转型这一关键交叉领域。与此同时，要将氢能打造为清洁能源未来的核心支柱，整合电力系统与可再生能源、优化电解槽设计、开发先进的膜技术和电催化剂，这些都是至关重要的方面。

先进的制氢电解系统

电解技术已经存在了数百年，它的基本原理算不上复杂，但今天的电解系统已经融入了众多先进技术。

现代电解系统主要采用三种方法，每种都各有优缺点。

碱性电解系统对于大规模项目而言是一种经济高效的方法，但其效率较低，并且对功率波动的响应较慢。

质子交换膜（PEM）系统的效率更高，并且能快速响应功率波动，非常适合与可再生能源系统集成。但该方法需使用贵金属催化剂，因而成本较高。

固体氧化物电解系统是效率最高、燃料灵活性最佳的方法，并具有生产合成燃料的潜力，但目前仍处于研发阶段。

目前，PEM系统最具发展潜力，相关研究正持续推动成本下降和效率提升。根据Hydrogen Council（氢能委员会）的数据，电解槽成本在2010年至2020年间降低了约60%，并将持续下降至2030年[6]。

在探讨了PEM技术如何通过电解水制氢后，我们现在可以分析相同的基本原理如何在PEM燃料电池中逆向作用以产生电能。

PEM燃料电池的工作原理

PEM燃料电池是电化学、材料科学和电气工程的集大成者。这些电化学装置可将氢气和氧气转化为电能、热能和水。PEM燃料电池由四个主要部件组成：阳极、阴极、质子交换膜和催化剂层[7]。

工程师常将其描述为三明治结构，其基本布局如图2所示。

图2：PEM燃料电池（图源：stock.adobe）

PEM燃料电池的工作原理如下：

高压氢气进入燃料电池的阳极侧，并与铂催化剂接触。

氢分子分解为质子和电子。

质子穿过交换膜，而电子通过外部电路流动，产生电流。

阴极处的氧分子从外部电路中获得电子，从而发生还原反应。

这些氧原子与质子和电子结合形成水。

理想情况下，该过程发生在燃料电池电堆中，制造商可以将电堆集成到带有燃料、水、空气管理以及冷却液控制硬件和软件的完整系统中。

对于从事电力系统工作的电气工程师而言，在设计备用电源解决方案、微电网和清洁能源系统等应用时，理解这些原理至关重要。其中的关键挑战包括优化效率、管理水的生成，以及降低与铂催化剂相关的成本。

虽然理解PEM燃料电池的电化学原理是必要的，但其实际应用还需要先进的功率电子技术将电池的电能转换为可用电力。

燃料电池应用的关键电子器件

功率电子器件可将低压、大电流输出转换为可用的电力，同时应对瞬态响应动态和单向电流流动等挑战。

DC-DC升压转换器对于将电池输出电压提升到适合汽车系统和住宅电力等应用的水平至关重要。