近年來印度的發電和輸電能力已得到了顯著的改善，但仍有 2.1％ 的能源缺口，并且約有 2 萬個村莊沒有納入電網覆蓋范圍。不僅如此，通往城鄉的電力供應仍舊不穩定。因此，柴油發電機被大范圍地應用于分散式供電。柴油發電機（圖 1 左）雖然價格低廉，但普遍效率低下，同時會對周邊環境和居民的健康帶來潛在危害。

圖 1. 左圖：為印度的電信塔供電的柴油發電機。右圖：PEM 燃料電池。

為解決這一難題，印度國家化學實驗室（National Chemistry Laboratory， 簡稱 NCL）聯合印度科學與工業研究理事會（Council of Scientific and Indus-trial Research，簡稱 CSIR）下屬的兩所實驗室——中央電化學研究所（Central Electrochemical Research Institute，簡稱 CECRI）和國家物理實驗室（National Physical Laboratory，簡稱 NPL），著手研究清潔、高效、可靠的發電技術為電信塔供電，并期望最終能夠為建筑物提供能源。

質子交換膜燃料電池（proton ex-change membrane fuel cell，簡稱 PEM 燃料電池或 PEMFC，見圖 1）是一種兼顧了成本和污染問題的理想解決方案。如今許多應用中都能看到 PEM 燃料電池的身影，它正逐步替代傳統的電力技術。燃料電池的優勢明顯：碳排量小、噪音低、燃料兼容性強，與其他可再生能源解決方案具有良好的互補性，因此適用于交通運輸、住宅樓、辦公室以及一些工業領域。PEM 燃料電池系統的總轉換效率超過 30％（柴油發電機約為 22%~25%），當使用純氫氣發電時，排放物只有水蒸氣。

PEM 燃料電池的工作原理

PEM 燃料電池中包含一個膜電極組件（membrane electrode assembly，簡稱 MEA），由氣體擴散層、電極和聚合物電解質膜構成。在 MEA 內發生電化學反應，產生電能。

在單個 PEM 燃料電池中，氫氣流向組件的陽極，在陽極催化劑的作用下分解為質子和電子。電子在通過電極中的碳納米顆粒網絡傳導至另一側的陰極之前，會先輸出電流，為設備提供電能。與此同時，質子穿過質子交換膜到達陰極，空氣中的氧氣通過 MEA 中的氣體擴散層（gas diffusion layer，簡稱 GDL）到達陰極（圖 2）。

圖 2. PEM 燃料電池的概念圖。氫氣進入陽極，在陽極催化劑的活性位點上發生反應， 分解成質子和電子。電子經過有負載的外電路傳導到陰極，質子穿過質子交換膜中的電解質遷移到陰極。PEM 由可傳導質子但不傳導電子的固體聚合物制成。圖注： Recycling – 循環； Heat – 熱； Fuel – 燃料； Anode – 陽極； Cathode – 陰極； O2 from Air – 空氣中的氧氣；Air and Water Vapor – 空氣和水蒸汽；Hydrogen – 氫；Oxygen – 氧；Proton –質子；Electron – 電子；Gas Diffusion Layer – 氣體擴散層；Catalyst – 催化劑； Proton Exchange Membrane – 質子交換膜

在陰極催化劑的活性位點上，質子與氧氣及電子反應生成水；副產物只有水和熱量。多個單體電池相互串聯，便組成了 PEM 燃料電池堆（圖 3）。

圖 3. PEM 燃料電池堆的示例，它包含多層重復單元。圖注：ElectroPhen Biopolar Plate – 雙極板；Membrane Electrode Assembly – 膜電極組件；Gas Flow Channels – 氣體流道；Repeat Unit – 重復單元

燃料電池的輸出功率和效率取決于多種因素，其中包括：陽極和陰極活性層的催化活性、電極將氣體擴散電極中的液態水輸送至外部的能力、碳網絡的電導率和孔隙率、反應氣體流向催化劑的傳輸過程、PEM 的質子電導率以及雙極板的電導率。

尋找最高效的配置

為印度的電信塔選擇 PEM 燃料電池的關鍵在于找到轉化效率最高的最優結構。眾所周知，對一個設計因素進行優化時，可能會降低另一個因素的效率。舉例來說，增加氣體擴散層的孔隙率更有利于氫氣和空氣自由地進入、水分自由地離開，但可能會降低電導率。

由 NCL 項目的首席科學家 Ashish Lele 博士領銜的專業團隊針對不同的配置進行了模擬和分析，力求為印度電信塔使用的 PEM 燃料電池尋找最優性能組合。他表示：“我們希望進一步了解碳電極中發生的反應，研究電極中的反應氣體和質子的傳輸過程如何影響總反應速率。我們的最終目標是了解各類不同參數對 PEM 燃料電池整體性能的影響，這些參數包括工作條件、流場的幾何形狀和 MEA 結構等。”

Lele 和他的團隊模擬了反應氣體的對流、催化劑層中的伴隨反應，以及質子在 PEM 燃料電池中的傳導過程。在模擬過程中，他們使用了 COMSOL Multiphysics? 軟件的化學反應建模和電化學阻抗譜（EIS）仿真功能。EIS 方法通過測量阻抗和頻率響應來表征電化學系統。下一頁中的短文簡要介紹了COMSOL? 軟件的 EIS 仿真功能。

“COMSOL 軟件出色的功能讓我們能同時兼顧質量平衡、動量平衡、物質平衡和電荷平衡。”他解釋說，“我們對不同參數進行了靈敏度分析，例如流場形狀等設計參數、背壓和化學當量等操作參數，以及離聚物-碳比等結構參數， 從而確定了各個參數對 PEM 燃料電池性能產生的影響。”在 COMSOL 軟件的幫助下，他們能夠深入理解上述變量對 PEM 燃料電池總功率輸出的影響。

圖 4 展示了化學當量（即反應氣體的實際流入量和產生給定電量所需的反應氣體量之間的比率）在平行流場條件下帶來的影響。

圖 4. 繪圖顯示了不同空氣化學當量對應的燃料電池產生的電流密度。當空氣- 燃料比為 5 時，電流輸出不僅更大，而且更加統一。圖注：Air Stoichiometry – 空氣的化學當量

Lele 團隊研究了不同的流場類型， 隨后從中選定了效率最高的流道形狀和布局。“我們分析了四種常見的流場類型：平行、蛇形、針狀和叉指形。”他解釋說，“COMSOL 的分析結果表明，最后一類（叉指形）流場具有特定的優勢， 更適合應用于高溫 PEM 燃料電池。”

通過比較不同流動形狀下的電流密度，團隊進一步證實了叉指形流場是最佳選擇（圖 5）。具體來說，叉指形流場中的反應速率較快的原因在于電極和 GDL 中由壓力差驅動的對流質量傳遞， 而此類質量傳遞是其他三種流動類型所不具備的。叉指形流場中的反應速率越快，反應效率就越高，氫氣和氧氣的消耗量也隨之增加。壓力曲線（圖 5）清晰地顯示了兩個連續通道間的壓降與 GDL 內產生對流之間的關系。

圖 5. 左圖：比較叉指形流場和平行流場設計中的燃料電池產生的平均電流密度與空氣化學當量之間的函數關系。右圖：叉指形流場設計中微流道的內部流體壓力

邁向綠色燃料之路

通過使用 COMSOL 對 PEM 燃料電池的配置進行分析，研究團隊找到了最佳的流動模式、碳纖維層和氣體輸入水平，從而最大限度地提高了功率輸出。Lele 總結道：“在 COMSOL 的幫助下，我們研究了所有相關變量對最終輸出的影響。在運行了靈敏度分析后，就能夠找出關鍵變量。”

NCL 研究人員的下一步計劃是將該技術進行授權推廣，并將 PEM 燃料電池進行大規模量產。他們非常期待能為印度電信塔提供更清潔、更可靠的能源服務。他們希望此項成果能為房屋建筑和交通網絡穩定地提供綠色能源，推動整個國家邁向綠色燃料之路。