燃料电池CCM膜电极组件的未来发展方向
2021-08-31
燃料电池中的CCM膜电极主要包括质子交换膜、催化剂、气体扩散层（GDL，由CCM制备），有时根据催化剂负载量的不同，GDL并不被归类为CCM膜电极。本文主要总结了各CCM膜电极组件的研发进展，以及国内外相关研究单位的最新动态。此外，氢燃料电池产业链的上游技术还涵盖电解质膜、催化剂、阳极板、气体扩散层、空气压缩机、泵和氢气泵等燃料电池的核心材料与关键部件，同时涉及氢能的储存、运输及加氢等环节。
1. 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。在反应过程中，阳极允许失去电子的氢离子（质子）到达阴极，但同时阻止电子、氢分子、水分子等的通过。因此，该膜需具备以下特性：（1）高导电性（高度选择性离子传导，而非电子传导）；（2）良好的化学稳定性（耐酸性和抗氧化还原性能）；（3）优异的热稳定性；（4）CCM膜电极的机械性能（如强度和柔韧性）；（5）对反应气体具有低透气性，且水的电渗透系数较小；（6）易于加工，并具有合理的价格。
质子交换膜的作用机制
质子交换膜是质子交换膜燃料电池（PEMFC）的核心部件。CCM膜电极主要采用全氟磺酸膜。目前，国产化进程正在加速推进。全氟磺酸膜具有优异的机械强度、化学稳定性及高湿度特性，在相同条件下还具备高导电性的优势；但同时也存在耐温性差、质子传导率较低、高温下易发生化学分解，以及单体合成难度大等不足。当前，质子交换膜的主流发展趋势是采用全氟磺酸增强型复合膜。此外，质子交换膜正逐步向薄膜化方向迈进，厚度已从数十微米降至10微米，这不仅有效降低了质子传输的欧姆极化，更显著提升了电池性能。与此同时，开发低铂、高反应效率的CCM型薄催化层电极，已成为质子交换膜燃料电池技术发展的重要方向。
2. 催化剂
目前，金属催化剂—Pt/C是主流技术，而超低铂乃至无钨则是未来的发展方向。CCM膜电极用金属催化剂正是氢燃料电池的关键材料之一。这种金属催化剂能够与氢气发生作用，促使电子从氢原子中脱离。当前商用氢燃料电池中最常用的金属催化剂是Pt/C，它由纳米级Pt颗粒（3～5纳米）以及高比表面积的活性炭载体构成，后者以柱状结构包裹Pt颗粒。然而，离子交换膜氢燃料电池商业化进程中面临的主要难题之一，便是其高昂的贵金属催化剂成本——尤其是大幅降低铂负载量后，实现超低铂或无铂化，已成为未来科研的核心课题。事实上，燃料电池组件的成本主要来自原材料和加工费用。据美国战略分析公司发布的一份报告指出，在现有技术水平下，质子交换膜、气体扩散层等关键部件的生产成本可通过大规模量产得以有效降低，但催化剂的材料成本却难以通过批量生产来削减。因此，减少铂的使用量，无疑是降低催化剂成本的有效途径。
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