PEM燃料电池膜电极制备技术浅析导 读 为加快质子交换膜燃料电池(PEMFC)商业化进程,制备高功率密度、低Pt载量、长寿命、低成本膜电极(MEA)尤为关键。膜电极技术经历了几代革新,大体上可以分为热压法、CCM法和有序化膜电极三种类型。本章将分析介绍三种类型MEA优缺点及最新研究进展。 膜电极是多相物质传输和电化学反应的场所,决定了质子交换膜燃料电池的性能、寿命和成本。膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元—燃料电池单电池。在实际应用当中可以根据设计的需要将多个单电池组合成为燃料电池电堆以满足不同大小功率输出的需要。
MEA结构设计和优化、材料的选择和制备工艺的优化一直是PEMFC研究的技术关键。在PEMFC发展进程中,膜电极技术经历了几代革新,大体上可以分为热压法、CCM法和有序化膜电极三种类型。下文将分析介绍三种类型MEA优缺点及最新研究进展。 1、GDE热压法膜电极
GDE型MEA的制备工艺比较简单,由于催化剂是涂覆在GDL上,有利于MEA的气孔形成,同时又能保护PEM不变形。但是,GDE型MEA在制备过程中GDL上涂覆催化剂的量不好控制,而且催化剂浆料容易渗透进GDL中,造成部分催化剂不能充分发挥作用,其利用率甚至低于20%,增加了MEA的成本。此外,由于涂覆了催化剂的GDL与PEM的膨胀系统不一样,在燃料电池长时间运行过程中,容易导致两者之间的界面局部剥离,从而引起燃料电池内部接触电阻增加,MEA综合性能不够理想。目前GDE结构MEA制备工艺已经很少采用,已基本被淘汰。 2、CCM三合一膜电极
与GDE型MEA制备方法相比,CCM型较好,不易发生剥离,同时降低了催化剂层与PEM之间的传递阻力,有利于提升质子在催化剂层的扩散和运动,从而促进催化层和PEM之间的质子接触和转移,减小质子转移阻抗,使得MEA性能得到了大幅度的提升,对MEA的研究由GDE型转向CCM型。此外,由于CCM型MEA的Pt载量比较低且利用率得到大幅度提高,从而降低了MEA的总体成本。CCM型MEA缺点是在燃料电池运行过程中容易发生“水淹”现象,主要原因是MEA的催化层中没有疏水剂,气体通道比较少,气、水传输阻力较大。因此,为了减小气、水传输阻力,催化剂层的厚度一般不超过10μm。 由于CCM型MEA具有良好的综合性能,已在车用燃料电池领域得到商业化应。比如,丰田Mirai、、本田Clarity等。国内武汉理工新能源开发的CCM型MEA已出口美国Plug Power公司应用于燃料电池叉车,大连新源动力开发的CCM型MEA已实现装车应用,Pt基贵金属担载量低至0.4mgPt/cm2, 功率密度达到0.96W/cm2。同时,昆山桑莱特、武汉喜马拉雅、苏州擎动、上海交大、大连化学物理研究所等企业及高校院所也在进行高性能CCM型MEA开发。国外科慕、戈尔、巴拉德等公司已实现CCM型MEA开发商业化大批量生产。 3、有序化膜电极
有序化膜电极包括基于碳纳米管的有序化膜电极、基于催化剂薄膜的有序化膜电极和基于质子导体的有序化膜电极。 基于碳纳米管的有序化膜电极
VACNTs可分为两种类型:一种是由弯曲、稀疏的碳纳米管构成的VACNTs;另一种是由笔直、密集的碳纳米管构成的VACNTs。
Zhang等开发了VACNTs/Nafion/VACNTs有序化膜电极。性能比传统Pt/C膜电极高出两倍。
Murata等在不锈钢基体上催化生长弯曲、稀疏的VACNTs。保持性能的同时其铂含量接近美国DOE的2020年目标。 弯曲VACNTs的SEM 基于催化剂薄膜的有序化膜电极
3M公司制备的NSTF电极性能参数指标下图所示,从图中可以看出,除了NSTF电极的耐久性还低于DOE技术指标,其它性能指标都比较接近DOE的目标值。 基于质子导体的有序化膜电极
基于Nafion纳米线材的快质子传导功能,清华大学核研院与汽车系**合成新型有序化催化剂层。具有以下特色:Nafion纳米棒在质子交换膜上原位生长制备而成,界面接触阻抗降低为零;在Nafion纳米棒上沉积Pt颗粒催化层,同时兼备催化剂与电子传导相的功能;催化层中Nafion纳米棒具有快质子传导功能。
4、结语
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