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《質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的關鍵技術_王誠》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、科技導報2016，34（6）質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的關鍵技術123王誠，趙波，張劍波1.清華大學核能與新能源技術研究院，北京1000842.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京1022093.清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京100084摘要膜電極是多相物質(zhì)傳輸和電化學反應場所，決定著燃料電池的性能、壽命及成本。本文分析膜電極當前技術現(xiàn)狀與商業(yè)化目標，梳理膜電極分類及經(jīng)過梯度化膜電極向有序化膜電極發(fā)展的技術脈絡，介紹近年來超低Pt載量的第三代膜電極-有序化膜電極的新進展，比較各種有序化膜電極制備方法的優(yōu)缺點。目前有序化膜
2、電極在鉑族元素總載量為0.118mg/cm2下取得的最好性能為861mW/cm2@0.692V，0.137g/kW，成本降至5美元/kW，Q/ΔT值從2013年的1.9下降到1.45。從降低Pt用量及簡化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、降低系統(tǒng)成本的角度看，自增濕有序化膜電極是未來膜電極開發(fā)的重要方向。關鍵詞燃料電池；膜電極；納米線；納米管；納米結(jié)構(gòu)薄膜質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuel反應。最近，高質(zhì)量活性的鉑基多孔/中空結(jié)構(gòu)納米顆粒這種cell，PEMFC）是一種零排放、高效率與高功率密度的發(fā)
3、電裝新型的催化劑，受到了廣泛關注；在改進催化劑的耐久性方置，特別是在新能源交通動力應用方面具有極其誘人的前面，主要集中于研發(fā)高度石墨化的碳材料（例如碳纖維，碳[1]景。經(jīng)過全球多年持續(xù)研發(fā)，目前PEMFC在能量效率、功管，石墨稀）作為Pt基催化劑載體，這些碳材料擁有更高的石[4]率密度、比功率、低溫啟動等性能指標方面取得了突破性進墨特征能抵抗汽車啟停工況引起的衰減。但僅從催化劑等[2]展，使得燃料電池汽車的性能己接近傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的水原材料角度來改善PEMFC的成本和耐久性問題還遠遠不夠，平。在PEMFC技術日趨成熟和日
4、本氫社會戰(zhàn)略驅(qū)動的背景因為由催化劑制備的膜電極還必須兼顧電化學反應三相界下，以豐田Mirai燃料電池汽車領銜的新一輪燃料電池汽車產(chǎn)面及電子、質(zhì)子、氣體和水的傳質(zhì)微通道等多因素影響才能業(yè)化浪潮正在迫近。然而，當前PEMFC系統(tǒng)的量產(chǎn)成本（49獲得最佳發(fā)電性能，因此，解決PEMFC上述兩大問題應著眼美元/kW，按年產(chǎn)50萬臺計）和壽命（一般水平為2500h）距離于膜電極部件的原材料與制備工藝的集成創(chuàng)新。商業(yè)化成本指標（30美元/kW）和耐久性指標（5000h以上）仍有差距，構(gòu)成了其產(chǎn)業(yè)化的最后障礙。車用燃料電池成本1膜電極國
5、際專利分析與商業(yè)化指標和耐久性問題涉及面廣、挑戰(zhàn)大，一直是世界各國研究人員采用DerwentInnovationsIndex專利檢索平臺對1963年[3]廣泛關注的棘手問題。至2015年9月1日的專利進行統(tǒng)計分析，檢索條件為[標題：膜電極（membraneelectrodeassembliy，MEA）是多相物質(zhì)(MEAor"membraneelectrodeassembly"or"membraneand傳輸和電化學反應場所，決定著PEMFC的性能、壽命及成本，electrodeassembly")AND主題:（"fuel
6、cell")]，共檢索到有關主要由催化劑、質(zhì)子交換膜及其溶液、氣體擴散層制備而膜電極的記錄3480條，其中有1669個專利權人。從專利發(fā)成。膜電極的制備工藝一直是燃料電池領域的核心技術。展趨勢來看，2008—2009年是膜電極技術創(chuàng)新最為活躍的時由于目前非鉑催化劑活性低、耐久性差，還無法取代鉑基催期，專利總數(shù)超過1000件。以專利權人排序的統(tǒng)計結(jié)果如圖化劑，實際應用的PEMFC催化劑均為含Pt催化劑。研制高1所示，豐田汽車公司以552件膜電極發(fā)明專利高居首位，三性能超低Pt載量的膜電極對于加速PEMFC商業(yè)化進程具有星電
7、子、日產(chǎn)汽車、東芝、日本凸版印刷株式會社、本田汽車、十分重要的意義。在開發(fā)高效Pt基催化劑方面，調(diào)整Pt納米現(xiàn)代汽車、松下、美國3M公司名列其后。在專利權人排名前晶體的暴露晶面（111），制備Pt的合金、核殼、枝杈或非均質(zhì)10位中，日本企業(yè)占據(jù)7位，日本企業(yè)在燃料電池膜電極專利結(jié)構(gòu)的多金屬納米晶體，用金屬團族、分子、離子、有機或無數(shù)量上的壓倒性優(yōu)勢表明，其燃料電池核心技術成果豐碩和機化合物修飾鉑納米顆粒表面，均有利于改善催化氧化還原工業(yè)產(chǎn)權保護意識強化。豐田汽車內(nèi)制的新一代膜電極（圖收稿日期：2016-02-03；修回日
8、期：2016-02-24基金項目：國家電網(wǎng)公司科技項目（SGRI-DL-71-14-012）作者簡介：王誠，副教授，研究方向為氫能燃料電池，電子信箱：wangcheng@tsinghua.edu.cn引用格式：王誠，趙波，張劍波.質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極的關鍵技術[J].科技導報，2016,34(6):62-68;d
