天津大学Nature综述：设计下一代质子交换膜燃料电池

【引言】

随着质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术的快速发展，全球对清洁和可持续能源应用的需求不断增加。在实现广泛的商业化之前，需要克服许多器件级和基础设施方面的挑战，其中最关键的挑战之一是提高PEMFC的功率密度，全球各地都提出了雄心勃勃的目标。例如，日本新能源和工业技术开发组织的短期和长期功率密度目标分别是到2030年每升6千瓦和2040年每升9千瓦。

【成果简介】

近日，在天津大学Michael D. Guiver教授和焦魁（共同通讯作者）团队带领下，提出了下一代高功率密度PEMFCs的技术发展方向。提出了在水和热管理以及材料方面改进膜电极组件及其组件改进的最新想法。这些概念有望在下一代PEMFCs中实现高功率密度。相关成果以题为“Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells”发表在了Nature。

【图文导读】

图1 纯电动汽车和燃料电池汽车在未来汽车运输中的应用领域及技术特性比较

FCV的优势包括更好的能量介质、更高的能量密度、更短的加油时间、更低的成本和更低的安全风险，以及更好的低温性能。BEV具有更高的使用效率和更广泛的基础设施。该表格显示了动力系统的能量密度，其中BEV包括电池组和电池管理系统，FCV则包括燃料电池系统和氢气罐。FCV的加油时间约为5 ~ 10 min；类似规模的BEV充电时间为几到几十小时。这里不考虑BEV的快速充电，因为这大大降低了循环寿命，不能用于日常充电。显示的效率是BEV的充电效率和FCV的氢-电转换效率。

图2 满足未来高功率密度要求而逐步改进的PEMFCs的工作原理的示意图

图3 最先进的下一代MEA设计

a）未来GDL发展的两种潜在方法：左边，孔径梯度，通过调控碳纤维排列实现；右边，采用泡沫材料集成的BP-MEA设计或无GDL设计。

b）CL的关键进展。(I）具有特殊形状和超高活性的新型催化剂实现了高功率密度和较低的催化剂负载（Pt_1.5Ni纳米笼、PtCo芯壳、PtNi纳米框架、Pt纳米线、过渡金属掺杂的Pt₃Ni八面体）。(II)碳载体的改性使离聚物分布均匀，催化剂利用率高（碳载体的氮掺杂和具有可接近介孔的碳）。(III) 通过分子排列促进Pt/离聚物界面。

c）PEMs的最新设计方法：左边，膜的Ce掺杂增强了膜的稳定性；中间，纳米裂纹调节的自增湿膜调节保水能力；右边，一种带有贯穿平面的质子传输通道的薄膜，即使在极低的相对湿度下也能实现有效的质子传导。

图4 燃料电池汽车双极板的发展趋势

【总结与展望】

PEMFCs由于其在燃料电池汽车的汽车推进方面的优势和近年来的显著技术进步而备受关注。这一观点突出了PEMFC组件的发展方向，包括它们之间的相互关系和设计，有助于实现下一代PEMFCs的功率密度目标：功率密度从目前的4kw l⁻¹左右提高到短期目标6kw l⁻¹，长期目标9kw l⁻¹。GDLs和MPLs的未来发展应着眼于跨尺度和跨组件传输的优化，同时在结构和润湿性控制方面与其他组件的改进兼容。对于CL，新型催化剂的活性在RDE级别上足够大，但在MEA和堆栈级别上仍需要相当大的改进。基于分子排列的碳载体和催化剂/聚合物界面的改性有望改善离聚物分布和催化剂利用率，因此有序结构的MEA可以在超低催化剂负载下实现高功率密度。在未来5-10年，具有耐久性和增强适应性的PFSA基聚合物预计将继续主导PEM市场。BP设计的未来目标是解决耐腐蚀、制造成本和界面接触电阻等问题。未来超高功率密度操作需要提高大规模传输能力。由于BP-MEA集成设计具有消除界面和减小体积的优点，预计将为实现超高功率密度提供一条有前景的道路。提高动力密度、降低成本和提高PEMFC的耐久性将直接促进大规模商业化。这三个标准在很大程度上是相互关联的，有时也相互制约，在开发不同的燃料电池产品时应该全面考虑这三个标准。总体而言，在现有材料框架下，建立易于制造的精细化、可控的结构设计是一个关键方向，而新材料的开发有望在长期产生深远影响。

文献链接：Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells（Nature，2021，DOI:10.1038/s41586-021-03482-7）

本文由木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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