前沿 | 离子交换膜燃料电池
燃料电池
能源是社会文明和经济进步的基础，我国将具有多样性和均衡性特征的能源资源视作国家安全的重要组成部分。其中，以氢能为代表的新能源转换体系是能源体系建设中的重大机遇和挑战。燃料电池是氢能转换体系的核心技术。这项技术因其灵活性、可行性和快速启动而备受关注，并几乎已在所有可想象的应用中得到证明。
燃料电池工作原理最早于1839年由德国化学家 Christian Friedrich Schönbein 提出，后发展出多种不同的种类，包括碱性燃料电池（AFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和离子交换膜燃料电池（PEMFC，也称质子交换膜燃料电池）。从商业应用上来看，熔融碳酸盐燃料电池、离子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池是最主要的三种技术路线。中国主要集中在离子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池领域开展研发和产业化。其中，离子交换膜燃料电池已被公认为新能源电动汽车电源的最优选项之一。
离子交换膜燃料电池优势凸显。从结构组成来看，离子交换膜燃料电池是典型的全固态机械结构，无可移动组件，本征上具备高可靠性和长寿命性，服役状态下无部件发生移动，也就不会产生噪声污染。从反应历程来看，反应物与产物十分简单，绿色环保。此外，不同于普通电池，离子交换膜燃料电池允许功率缩放（由燃料电池的尺寸决定）和容量缩放（由燃料储存器尺寸决定）。普通电池中，功率和容量是互相关联的，很难将尺寸做到大型。而离子交换膜燃料电池的特点决定了其可以很容易地从瓦级（小型便携设备）做到兆瓦级（供能源工厂使用）。相较于普通电池要么不可重复利用，要么靠插件费时地充电的弊端，离子交换膜燃料电池可提供更高的能量密度，并可通过快速补充燃料实现快速充电。这一电池技术是实现低碳运输的关键，利用可再生能源氢与氧反应产生的电能，温室气体排放有望减少到零。
随着这一技术的不断成熟，相关产品已逐步进入商业化应用阶段。在国家一系列重大项目的支持下，我国离子交换膜燃料电池技术取得了一定进展，部分关键技术实验室水平已接近国际先进水平，但工程化、产业化水平滞后，总体技术水平落后于日本、韩国等国家。
目前，燃料电池车、电动车和燃油车产业分别处于导入期、成长期和成熟期，未来，随着氢能及燃料电池技术自主化和规模产业化，用氢成本和制造成本将迅速下降，全生命周期的成本优势将持续扩大。
离子交换膜燃料电池
《离子交换膜燃料电池》一书是中国科学院长春应用化学研究所先进化学电源实验室相关多年工作的认知与积累，是“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目“电化学科学与工程技术丛书（孙世刚总主编）”分册之一，作者邢巍、刘长鹏、葛君杰。本书内容从电催化基本概念、过程和电化学测量等基础理论部分，到对燃料电池的电催化剂的设计制备和构效关系研究；从氢气、氧气及有机小分子的电催化机理，到酸性、碱性氢氧燃料电池等的电催化应用；在紧紧围绕前沿研究方向的同时，也重点关注了反应器控制和电堆中性能的高效表达，并对离子交换膜燃料电池未来的研究方向进行了讨论。在燃料电池技术近年来发展十分迅猛的时期，本书的出版将十分有助于我国从事相应研究领域的研究生和青年科技人员掌握最新的知识与发展动态，更好地从事相关学术研究。
具体章节分为：第 1 章介绍离子交换膜燃料电池的电催化基础，涉及基本概念、基本过程和电化学测量；第 2 章和第 3 章从微观层面研究燃料电池阳极侧反应，还概述了该领域当前进展；第 4 章介绍燃料电池阴极侧的氧还原反应；第 5 章关注的重点是反应器控制和电堆中性能的高效表达；第 6 章讨论离子交换膜燃料电池未来的研究方向。
目录速览
作者简介
邢巍，中国科学院长春应用化学研究所研究员、博士生导师，所学术委员会常委，中国化学会电化学专业委员会主任，国际电化学会会员，吉林省第一批重大科技项目研发人才团队带头人。研究兴趣聚焦在质子交换膜（PEM）氢-电能量转化基础研究与应用技术。完成/主持了“十三五”/“十四五”国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目等多项科研项目。发表SCI论文300余篇，他引20000余次；授权专利50余项，转让多项；获省部级科技奖励4项。
刘长鹏，中国科学院长春应用化学研究所研究员，博士生导师。主要从事质子交换膜电解水（PEMWE）制氢、燃料电池、电催化等方面的研究工作。先后主持承担了科技部863计划课题、973计划子课题，国家自然科学基金面上项目，中国科学院科研仪器设备研制项目等。发表相关论文260余篇，申请及授权专利30余项，获吉林省自然科学奖一等奖、吉林省科技进步奖二等奖等科技奖励。
葛君杰，中国科学技术大学教授、博士生导师。国家级高层次青年人才计划获得者、中国科学院特聘岗位研究员、英国皇家化学会会士。国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金联合基金重点项目负责人。研究兴趣为氢能源与燃料电池，近年来聚焦氢能与燃料电池催化剂、关键部件、膜电极研究，成果发表在PNAS，J. Am. Chem. Soc.，NSR，Joule等国内外期刊。
（本文编辑：王芳）
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