燃料電池CCM膜電極組件未來發展方向
2021-08-31 00:00
燃料電池中CCM膜電極主要包括質子交換膜、催化劑、氣體擴散層(GDL)(通過CCM制備)，有時不根據催化劑負載将GDL歸納為CCM膜電極。本文主要對各CCM膜電極組件的研究開發進展及國内外研究單位進行了梳理。氫燃料電池産業鍊上遊技術除了氫氣、氫氣儲存、運輸和加氫外，還包括電解質膜、催化劑、陽極闆、氣體擴散層、空壓機、泵、氫泵等燃料電池的核心材料和部件。
一、質子交換膜
質子交換膜是燃料電池的核心元件和核心材料。反應時，陽極使失去電子的氫離子(質子)達到陰極，但防止電子、氫分子、水分子等通過，因此需要以下特性：(1)電導率高(高選擇性離子導電，而不是電子導電)(2)化學穩定性(耐酸性和抗氧化還原能力)好。(3)熱穩定性好。(4)CCM膜電極機械特性(如強度和柔韌性);(5)反應氣體透氣性低，水的電滲系數小。(6)加工性好，價格合理。
質子交換膜作用機制
質子交換膜是質子交換膜燃料電池(PEMFC)的核心組成部分，CCM膜電極以全氟磺酸膜為主，目前國産化進程加快，全氟磺酸膜具有機械強度、化學穩定性、濕度高的條件下傳導率高的優點，但缺點是溫度高，質子導電性差，高溫容易發生化學分解，單體合成困難質子交換膜目前的主流趨勢是全氟磺酸強化複合膜。質子交換膜逐漸變薄，從數十微米減少到10微米，減少質子傳遞的歐姆極化，實現更高的性能。開發低鉑、高反應效率的CCM型薄催化層電極是目前質子交換膜燃料電池開發的重要技術方向。
二、催化劑
金屬催化劑-PT/C是當前主流的，特低鉑、無鎢是今後大方向。CCM膜電極金屬催化劑是氫燃料電池的材質中的一種，金屬催化劑的作用于氫，使電子器件離開氫原子。當前氫燃料電池經常使用的商業應用金屬催化劑是Pt/C，由nmPt微粒(3~5nm)和支柱這樣的Pt微粒的大比表面活性炭包組合成。離子交換膜氫燃料電池商品化環節中的首要問題中的一種是重金屬金屬催化劑，钚載重量大大縮減，特低钚或無钚是今後科研的核心。燃料電池零部件的成本主要來自原材料和加工成本。美國Strategic Analysis發表的一份報告指出，在目前的技術水平上，質子交換膜、氣體擴散層等加工成本的零部件的成本可以通過規模化生産降低，但材料成本的催化劑很難通過量産降低成本。因此，減少钚的使用量是降低催化劑成本的有效方法。
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