质子交换膜燃料电池膜电极的关键技术_王诚

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1、科技导报2016，34（6）质子交换膜燃料电池膜电极的关键技术123王诚，赵波，张剑波1.清华大学核能与新能源技术研究院，北京1000842.全球能源互联网研究院，北京1022093.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084摘要膜电极是多相物质传输和电化学反应场所，决定着燃料电池的性能、寿命及成本。本文分析膜电极当前技术现状与商业化目标，梳理膜电极分类及经过梯度化膜电极向有序化膜电极发展的技术脉络，介绍近年来超低Pt载量的第三代膜电极-有序化膜电极的新进展，比较各种有序化膜电极制备方法的优缺点。目前有序化膜

2、电极在铂族元素总载量为0.118mg/cm2下取得的最好性能为861mW/cm2@0.692V，0.137g/kW，成本降至5美元/kW，Q/ΔT值从2013年的1.9下降到1.45。从降低Pt用量及简化燃料电池发电系统、降低系统成本的角度看，自增湿有序化膜电极是未来膜电极开发的重要方向。关键词燃料电池；膜电极；纳米线；纳米管；纳米结构薄膜质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuel反应。最近，高质量活性的铂基多孔/中空结构纳米颗粒这种cell，PEMFC）是一种零排放、高效率与高功率密度的发

3、电装新型的催化剂，受到了广泛关注；在改进催化剂的耐久性方置，特别是在新能源交通动力应用方面具有极其诱人的前面，主要集中于研发高度石墨化的碳材料（例如碳纤维，碳[1]景。经过全球多年持续研发，目前PEMFC在能量效率、功管，石墨稀）作为Pt基催化剂载体，这些碳材料拥有更高的石[4]率密度、比功率、低温启动等性能指标方面取得了突破性进墨特征能抵抗汽车启停工况引起的衰减。但仅从催化剂等[2]展，使得燃料电池汽车的性能己接近传统内燃机汽车的水原材料角度来改善PEMFC的成本和耐久性问题还远远不够，平。在PEMFC技术日趋成熟和日

4、本氢社会战略驱动的背景因为由催化剂制备的膜电极还必须兼顾电化学反应三相界下，以丰田Mirai燃料电池汽车领衔的新一轮燃料电池汽车产面及电子、质子、气体和水的传质微通道等多因素影响才能业化浪潮正在迫近。然而，当前PEMFC系统的量产成本（49获得最佳发电性能，因此，解决PEMFC上述两大问题应着眼美元/kW，按年产50万台计）和寿命（一般水平为2500h）距离于膜电极部件的原材料与制备工艺的集成创新。商业化成本指标（30美元/kW）和耐久性指标（5000h以上）仍有差距，构成了其产业化的最后障碍。车用燃料电池成本1膜电极国

5、际专利分析与商业化指标和耐久性问题涉及面广、挑战大，一直是世界各国研究人员采用DerwentInnovationsIndex专利检索平台对1963年[3]广泛关注的棘手问题。至2015年9月1日的专利进行统计分析，检索条件为[标题：膜电极（membraneelectrodeassembliy，MEA）是多相物质(MEAor"membraneelectrodeassembly"or"membraneand传输和电化学反应场所，决定着PEMFC的性能、寿命及成本，electrodeassembly")AND主题:（"fuel

6、cell")]，共检索到有关主要由催化剂、质子交换膜及其溶液、气体扩散层制备而膜电极的记录3480条，其中有1669个专利权人。从专利发成。膜电极的制备工艺一直是燃料电池领域的核心技术。展趋势来看，2008—2009年是膜电极技术创新最为活跃的时由于目前非铂催化剂活性低、耐久性差，还无法取代铂基催期，专利总数超过1000件。以专利权人排序的统计结果如图化剂，实际应用的PEMFC催化剂均为含Pt催化剂。研制高1所示，丰田汽车公司以552件膜电极发明专利高居首位，三性能超低Pt载量的膜电极对于加速PEMFC商业化进程具有星电

7、子、日产汽车、东芝、日本凸版印刷株式会社、本田汽车、十分重要的意义。在开发高效Pt基催化剂方面，调整Pt纳米现代汽车、松下、美国3M公司名列其后。在专利权人排名前晶体的暴露晶面（111），制备Pt的合金、核壳、枝杈或非均质10位中，日本企业占据7位，日本企业在燃料电池膜电极专利结构的多金属纳米晶体，用金属团族、分子、离子、有机或无数量上的压倒性优势表明，其燃料电池核心技术成果丰硕和机化合物修饰铂纳米颗粒表面，均有利于改善催化氧化还原工业产权保护意识强化。丰田汽车内制的新一代膜电极（图收稿日期：2016-02-03；修回日

8、期：2016-02-24基金项目：国家电网公司科技项目（SGRI-DL-71-14-012）作者简介：王诚，副教授，研究方向为氢能燃料电池，电子信箱：wangcheng@tsinghua.edu.cn引用格式：王诚，赵波，张剑波.质子交换膜燃料电池膜电极的关键技术[J].科技导报，2016,34(6):62-68;d