氢燃料电池中的电解质膜、电极、催化剂等核心部件分析

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    燃料电池堆主要是由单燃料电池构成。单电池又包括双极板、密封圈、膜电极（MEA），其中膜电极包括质子交换膜、催化剂层和气体扩散层。
    图1：燃料电池的单元构造

    图2：燃料电池的内部结构图

    膜电极组件（MEA）是保证电化学反应的核心膜电极组件（MEA）是将质子交换膜、催化层电极、扩散层在浸润Nafion 液后，在一定温度和压力下，热压而成的三合一组件，是保证电化学反应能高效进行的核心，其制备技术不但直接影响电池性能，而且对降低电池成本、提高电池比功率与比能量至关重要。
    国外的主流供应商有美国3M、美国杜邦、W. L. Gore & Associates、日本旭硝子、英国JM、德国Solvicore 等；国内主要是部分研究机构如武汉理工新能源、大连化学物理所等在从事电极和MEA 的研究。
    MEA 组件核心之一：质子交换膜PEM
    电解质膜的作用是允许质子通过而阻止未电解的燃料和氧化剂渗透到对方。氢燃料电池的电解质膜主要用质子交换膜。质子交换膜（Proton Exchange Membrane Fuel，PEM）是氢燃料电池的最核心部件，是燃料电池电解质和催化剂进行电化学反应的基地。它与一般化学电源中使用的隔膜有区别。
    最早用于燃料电池的质子交换膜是美国杜邦公司于60 年代末开发的全氟磺酸质子交换膜（Nafion 膜），此后，又出现了其它几种类似的全氟磺酸结构质子交换膜，包括美国Dow 化学公司的Dow 膜、日本Asahi Chemical 公司的Aciplex 膜和Asahi Glass 公司的Flemion 膜。
    目前主流供应商依然以美国杜邦为主。质子交换膜性能要求非常高，目前在氢燃料电池中使用的质子交换膜均采用全氟化聚合物材料合成，该材料稳定性好、使用寿命长，相对来说可以保证良好的化学和电化学稳定性、高质子导电性、良好的阻气性能、高机械强度、与电极较好的亲和性。因此，它的开发和生产难度很大。制造成本过高，售价昂贵。为了获得稳定而廉价的燃料电池，质子交换膜是最大的瓶颈和未来必须突破的领域。
    国内研究机构如天津大学、武汉理工大学、大连化学物理所等在质子交换膜领域研究较久。国内的商业化生产商，主要是大连新源动力和上海神力科技和同济科技旗下的中科同力。
    MEA 组件核心之二：催化剂
    电催化是使电极与电解质界面上的电荷转移反应得以加速的催化作用，电催化反应速度不仅由电催化剂的活性决定，而且与双电层内电场及电解质溶液的本性有关。催化层是发生电化学反应的场所，是电极的核心部分。
    迄今为止，质子交换膜燃料电池的阴极和阳极有效催化剂仍以铂和铂碳颗粒为主，铂贵金属催化剂用量大和质子交换膜成本高是燃料电池成本居高不下的重要原因。为了降低铂的使用量，各大公司进行了持续研究，近几十年来，膜电极上催化剂铂的负载量从10mg/cm2 降到了0.02mg/cm2，降低了近200 倍。以丰田为例，公司力求通过改进铂金材料的镀层技术来降低铂金催化剂的使用量。
    如果未来贵金属催化剂负载量能够大幅降低，或者能被其他成本更低的催化剂取代，那么燃料电池系统放量的机会也将大幅提升。
    目前铂催化剂的国外主流供应商有英国JM、日本TKK、美国E-TEK、德国BASF、比利时Umicore 等，暂时国内厂商突破还不明显。
    国内研究机构如长春应用化学所、大连化物所、天津大学、中山大学等在燃料电池催化剂领域研究有一定突破。
    MEA 组件核心之三：扩散层
    上面的催化层和扩散层构成了燃料电池的电极。
    扩散层是支撑催化层、收集电流、并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道的隔层，由碳纸和防水剂聚四氟乙烯（PTEE）组成。其材料和制备技术对MEA 的性能和电池的性能至关重要。
    目前扩散层主要技术仍掌握在日本东丽、加拿大Ballard、德国SGL 等少数厂商手中。双极板也是决定性能和成本的关键组件之一
    双极板，又叫流场板，主要起到起输送和分配燃料、在电堆中隔离阳极阴极气体的作用，一般采用在石墨板上雕刻流道的方式设计。常用的流道有平行流道、回旋型流道、蛇行流道，目前广泛采用的双极板材料为无孔石墨板，金属板和复合材料双极板的应用也在逐步出现。
    石墨是较早开发和用以制作双极板的材料。目前石墨基双极板的主流供应商有美国POCO、美国SHF、美国Graftech、日本Fujikura Rubber LTD、日本Kyushu Refractories CO.LTD、英国Bac2、加拿大Ballard 等。
    金属板开始在部分领域替代石墨双极板。表面改性的多涂层结构金属双极板具备较大的发展空间。目前金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国Dana、德国Grabener、美国treadstone 等，国内还处于研发试制阶段。
    复合材料双极板近年来也开始有应用，如石墨/树脂复合材料、碳/碳复合材料等。

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关键词：燃料电池 氢燃料 电解质 催化剂 Associates 武汉理工 密封圈 催化剂 电解质 结构图