天津大学：Nature一作兼通讯！
纳米人
2021-07-16
目前，质子交换膜燃料电池（PEMFC）的大规模商业化仍需要克服诸多来自器件本身和基础设施带来的挑战，其中最关键的挑战之一是提高PEMFC的功率密度，对此，日本新能源和工业技术开发组织提出了最新要求， 即2030 年和 2040 年燃料电池汽车应用的电池堆功率密度的短期和长期目标分别为6 KW L-1和 9 KW L-1。有鉴于此，天津大学焦魁教授，Michael D. Guiver，上海捷氢科技有限公司Zhongjun Hou等人发表了关于下一代高功率密度PEMFC 技术发展方向的文章，提出了在水和热管理以及组件材料方面改进膜电极组件（MEA）的最新见解，从而实现下一代 PEMFC 的高功率密度的短期和长期目标。
通讯作者：焦魁 , Michael D. Guiver，Zhongjun Hou燃料电池汽车（FCVs）和纯电动汽车（BEVs）的对比首先，BEVs 采用的电池是一种储能装置，而FCVs采用的燃料电池是一种能量转换装置，通常使用氢来储存能量。作为一种存储介质，氢相比锂离子电池具有固有的优势，表现出更高的能量密度和更短的加油时间。其次，在零度以下的低温条件下，FCV的性能表现也优于BEV，后者通常具有极低的放电容量。而在成本方面，短程（200英里以下）车辆中，FCV成本高于BEV，而在远程车辆（超过 300 英里）中，FCV具有更低的成本。然而，相比于已经商业化的BEV而言，目前FCV的使用效率仍然很低，相关配套基础设施仍处于起步阶段。因此人们普遍认为，FCV更适合重型和长途运输，以及叉车等其他商用车辆，而BEV更适合轻型和短途运输。在过去的二十年里，随着锂离子电池的快速发展， BEV实现了大规模商业化。而FCV核心组件，PEMFC仍存在许多技术障碍，此外，PEMFC电池组的性能、成本和耐用性也极大地影响了FCV的大规模商业化。因此，提高PEMFC的功率密度对于燃料电池车的发展至关重要。图1. BEVs和FCVs在应用领域以及技术特性的比较。为开发下一代高功率PEMFC，全面总结PEMFC的所有组件存在的问题以及发展潜力具有重要意义。单一PEMFC通常由膜电极组件（MEA）和双极板（BP）组成。其中 MEA 由气体扩散层 (GDL)、催化剂层 (CL) 和质子交换膜（PEM）组成。为了提高功率密度，促进PEMFC更广泛的商业化应用，开发性能更高、耐久性更好、成本更低的MEA具有重要意义。复写纸得益于其在导电性、机械强度、耐化学性和制造成本方面的优势，有望继续成为GDLs的主流选择。改进策略包括： i）开发具有梯度孔径的GDL可提高MEA的传质能力，例如，降低GDL一侧或两侧的孔隙率可以降低接触电阻，并在GDL内部产生孔隙梯度，以促进反应物的供应和水的去除； ii）元件集成化设计（BP-MEA设计或无GDL设计），降低或消除界面电阻，以同时满足导电、气体分配和水管理的要求。CL的性能决定了PEMFC的功率密度，为了在低催化剂负载下实现9 kW·l-1的高功率密度，需要超过0.8 V的高电池输出电压和4.4 A·cm-2的电流密度，因此，必须开发具有高活性的催化剂，可以采用以下策略：i）设计新型催化剂结构（纳米笼、核壳、纳米框架、纳米线和纳米晶体等）以提高催化剂的比活性和质量活性；ii）碳载体的适当改性可以显著提高PEMFC功率密度；iii）改进催化剂/离聚物界面可以实现质子传输和氧传输之间的平衡以及充分利用催化剂。高功率质子交换膜燃料电池的理想膜是在低湿度条件下具有高质子传导率和良好的电化学及机械稳定性的PEM膜是用于高功率PEMFC的理想膜。目前，优化PEM提高燃料电池的功率密度的主要策略是减小商用全氟磺酸膜（PFSA）的膜厚度。同时，掺杂铈盐可提高薄膜的机械性能和耐久性。此外，聚多巴胺处理的具有自支撑CeOx自由基清除剂的复合膜同时表现出增强的化学和机械耐久性，是稳定未来高性能PEMFCs的一种有效途径。此外，开发能够在低相对湿度条件下运行的PEM可以降低加湿要求，从而间接提高功率密度。传质是BP设计的重要标准。提高传质仍然是下一代高性能PEMFCs设计面临的主要挑战。目前，BP结构设计有两条既定的设计路线，一种是改进和缩小流动通道-肋结构（具有平行、蛇形、波浪形和交叉形状的流动通道），另一种是开发没有肋但具有微槽或多孔结构的流动场（具有特色条纹、圆点和网格的流动场）。热传导和电子传导是BP设计中的另外两个挑战，必须要降低BP和GDL之间的热和电界面接触电阻。此外，BP的耐久性主要受电化学腐蚀和机械降解的影响，为了减轻腐蚀，通常通过加入能够形成低电阻氧化膜的材料或通过沉积耐腐蚀涂层来用钝化层处理BP。同时，需要进一步提高BPs的制造能力，降低制造成本，以满足燃料电池产品大规模生产的工业基础。
小结
提高功率密度、降低成本和增加 PEMFC 的耐用性有望直接促进其大规模商业化。这三个标准在很大程度上相互关联，有时相互制约，因此，需要综合考虑。此外，在现有材料体系下，建立精细可控、易于制造的结构设计是关键研究方向，而新材料的发展则有望产生深远影响。
Jiao, K., Xuan, J., Du, Q. et al. Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells. Nature 2021, 595, 361–369.DOI：10.1038/s41586-021-03482-7https://doi.org/10.1038/s41586-021-03482-7
