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燃料电池CCM膜电极组件未来发展方向

燃料电池CCM膜电极组件未来发展方向

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【摘要】:
燃料电池中CCM膜电极主要包括质子交换膜、催化剂、气体扩散层(GDL)(通过CCM制备),有时不根据催化剂负载将GDL归纳为CCM膜电极。本文主要对各CCM膜电极组件的研究开发进展及国内外研究单位进行了梳理。氢燃料电池产业链上游技术除了氢气、氢气储存、运输和加氢外,还包括电解质膜、催化剂、阳极板、气体扩散层、空压机、泵、氢泵等燃料电池的核心材料和部件。

燃料电池中CCM膜电极主要包括质子交换膜、催化剂、气体扩散层(GDL)(通过CCM制备),有时不根据催化剂负载将GDL归纳为CCM膜电极。本文主要对各CCM膜电极组件的研究开发进展及国内外研究单位进行了梳理。氢燃料电池产业链上游技术除了氢气、氢气储存、运输和加氢外,还包括电解质膜、催化剂、阳极板、气体扩散层、空压机、泵、氢泵等燃料电池的核心材料和部件。

燃料电池CCM膜电极组件未来发展方向

一、质子交换膜

质子交换膜是燃料电池的核心元件和核心材料。反应时,阳极使失去电子的氢离子(质子)达到阴极,但防止电子、氢分子、水分子等通过,因此需要以下特性:(1)电导率高(高选择性离子导电,而不是电子导电)(2)化学稳定性(耐酸性和抗氧化还原能力)好。(3)热稳定性好。(4)CCM膜电极机械特性(如强度和柔韧性);(5)反应气体透气性低,水的电渗系数小。(6)加工性好,价格合理。

质子交换膜作用机制

质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心组成部分,CCM膜电极以全氟磺酸膜为主,目前国产化进程加快,全氟磺酸膜具有机械强度、化学稳定性、湿度高的条件下传导率高的优点,但缺点是温度高,质子导电性差,高温容易发生化学分解,单体合成困难质子交换膜目前的主流趋势是全氟磺酸强化复合膜。质子交换膜逐渐变薄,从数十微米减少到10微米,减少质子传递的欧姆极化,实现更高的性能。开发低铂、高反应效率的CCM型薄催化层电极是目前质子交换膜燃料电池开发的重要技术方向。

二、催化剂

金属催化剂-PT/C是当前主流的,特低铂、无钨是今后大方向。CCM膜电极金属催化剂是氢燃料电池的材质中的一种,金属催化剂的作用于氢,使电子器件离开氢原子。当前氢燃料电池经常使用的商业应用金属催化剂是Pt/C,由nmPt微粒(3~5nm)和支柱这样的Pt微粒的大比表面活性炭包组合成。离子交换膜氢燃料电池商品化环节中的首要问题中的一种是重金属金属催化剂,钚载重量大大缩减,特低钚或无钚是今后科研的核心。燃料电池零部件的成本主要来自原材料和加工成本。美国Strategic Analysis发表的一份报告指出,在目前的技术水平上,质子交换膜、气体扩散层等加工成本的零部件的成本可以通过规模化生产降低,但材料成本的催化剂很难通过量产降低成本。因此,减少钚的使用量是降低催化剂成本的有效方法。