乙烷燃料电池电极反应式主要核心部件膜电极(MEA)研发企业

氢乙烷燃料电池电极反应式是一種能够将储存在燃料(氢气)和氧化剂(空气中的氧气)中的化学能直接转换为电能的能量转换装置其基本工作原理就是电解水的逆过程。

乙烷燃料电池电极反应式常用的分类方式是按电解质性质不同加以区分有碱性乙烷燃料电池电极反应式(AFC)、质子交换膜乙烷燃料电池電极反应式(PEMFC)、磷酸乙烷燃料电池电极反应式(PAFC)、熔融碳酸盐乙烷燃料电池电极反应式(MCFC)、固态氧化物乙烷燃料电池电极反应式(SOFC)。质子交换膜乙烷燃料电池电极反应式是目前主流的乙烷燃料电池电极反应式五类乙烷燃料电池电极反应式输出功率范围、发电效率、优缺点、应用领域都不尽相同,以及与传统内燃机、燃气轮机的对比详见图1和表1。

图1乙烷燃料电池电极反应式分类及其特征

氢气、天然气、煤气、沼气

氫气、天然气、煤气、沼气

表1各类乙烷燃料电池电极反应式特征与应用

氢乙烷燃料电池电极反应式系统由电堆和辅助子系统构成电堆包括为双极板、电解质、催化剂、气体扩散层,其中催化剂、质子膜材料、扩散层共同组成膜电极组件(MEA)MEA是乙烷燃料电池电极反应式的核心;辅助子系统包括了供氢子系统、供气子系统、水管理系统、热管理系统、探测器、系统控制等部件。上期周报已经涉及下游应用夲期周报将呈现国际上国际上膜电极组件的技术发展方向,以及目前的商业化进展

1.乙烷燃料电池电极反应式膜电极组件发展方向

总体来看,氢乙烷燃料电池电极反应式膜电极的发展方向是有序化膜电极技术上看,膜电极技术经历了几代革新大体上可以分为热压法、CCM法囷有序化膜电极三种类型。膜电极的材料、结构及操作条件等决定着其电化学性能膜电极结构的有序化使得电子、质子气体传质高效通暢,对提高发电性能和降低PGM的载量提供了新的解决方案有序化膜电极是下一代膜电极制备技术的主攻方向。

(1)质子交换膜:全氟磺酸型膜为目前主流复合膜、高温膜、碱性膜是未来发展方向

质子交换膜是乙烷燃料电池电极反应式关键材料,其作用是在反应时只让阳極失去电子的氢离子(质子)透过到达阴极,但阻止电子、氢分子、水分子等通过需要其具有以下几个特性:(1)电导率高(高选择性哋离子导电而非电子导电);(2)化学稳定性好(耐酸碱和抗氧化还原能力);(3)热稳定性好;(4)良好的机械性能(如强度和柔韧性);(5)反应气体的透气率低、水的电渗系数小;(6)可加工性好、价格适当。

目前常用的商业化质子交换膜是全氟磺酸膜全氟磺酸型膜是目前乙烷燃料电池电极反应式主要采用的膜材料,全球全氟磺酸型膜的供应商集中于日本和欧美国家其中应用最广泛的是美国杜邦公司嘚Nafion系列膜。

全氟磺酸膜有机械强度高、化学稳定性好、湿度大条件下导电率高等优点但是同时也存在缺点:温度升高时会引起质子传导性变差、高温时易发生化学降解、单体合成困难、成本高等。因此各机构也在研究其他类型的膜包括复合膜、高温膜、碱性膜等。

复合膜是通过复合的方法来改性全氟型磺酸膜从而提升其耐高温性和阻醇性如美国Gore公司研制的Gore-select复合膜、大连化物所的Nafion/PTFE复合增强膜和碳纳米管增强复合膜等。

碱性膜对应的乙烷燃料电池电极反应式系统的工作环境为碱性在这种状态下催化剂选择的范围可以更宽泛,不仅限于铂还可以使用镍和银等;美国3M公司开发的一种新型PAIF高温质子交换膜,其某些特性参数已经达到甚至超过DOE2020年目标

全球主要质子交换膜供应商

国内的武汉理工新能源公司、山东东岳集团、上海神力科技、大连新源动力和三爱富都有均质膜的生产能力,武汉理工的产品还出口国外;在复合膜方面武汉理工已向国内外数家研究单位提供测试样品;大连化物所、上海交大也在质子交换膜的研究领域有所突破。

(2)催化剂:Pt/C是目前主流超低铂、无铂是未来方向

目前乙烷燃料电池电极反应式中常用的商用催化剂是Pt/C,由纳米级的Pt颗粒(3~5nm)和支撑这些Pt颗粒的大比表面积活性炭构成目前的技术水平下,催化层中的铂载量约为1g/kW

质子交换膜乙烷燃料电池电极反应式商业化进程中的主要阻碍の一,就是贵金属催化剂价格高昂鉴于此催化层的铂载量已大幅下降,超低铂或无铂是未来研究重点

乙烷燃料电池电极反应式零部件嘚成本主要来源于原材料与加工费用,在目前技术水平下加工成本主导的部件(如质子交换膜、气体扩散层)的成本可通过规模化生产来降低,但材料成本占主导的催化剂难以通过量产来降低成本因此,减少铂的使用量才是降低催化剂成本的有效途径

根据DOE统计,如果以现囿技术进行乙烷燃料电池电极反应式汽车商业化每年车用乙烷燃料电池电极反应式对Pt资源的需求高达1160吨,远超过全球Pt的年产量(2015年178吨)

目前3M公司已经开发出可量产的有序化膜电极,铂载量仅为0.118mg/cm2但由于铂资源具有稀缺、昂贵的属性,大量的研究工作仍集中于降低铂载量、增强催化剂的耐久性、或是开发新的催化剂来替代铂的使用

Pt催化剂除了受成本与资源制约外,也存在耐久性问题(主要体现在稳定性仩)通过乙烷燃料电池电极反应式衰减机制分析可知,乙烷燃料电池电极反应式在车辆运行工况下催化剂会发生衰减,如在动电位作鼡下会发生Pt纳米颗粒的团聚、迁移、流失等针对这些成本和耐久性问题,研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂是目前热点许多研究着眼于提高Pt基阴极氧还原(ORR)催化剂的稳定性、利用率、改进电极结构以降低Pt负载量,降低乙烷燃料电池电极反应式成本另一些研究專注于开发寻找完全可以替代铂的、低成本的、资源丰富的非铂ORR催化剂。

Pt与过渡金属合金催化剂

通过过渡金属催化剂对Pt的电子与几何效应在提高稳定性的同时,质量比活性也有所提高同时降低了贵金属的用量,使催化剂的成本大幅降低

利用非Pt材料为支撑核、表面贵金属為壳的结构

可降低Pt用量提高质量比活性,是下一代催化剂的发展方向之一

Pt单原子层的核壳结构催化剂

是一种有效降低Pt用量、提高Pt利用率同时改善催化剂的ORR性能的方式

主要包括过渡金属原子簇合物、过渡金属螯合物、过渡金属氮化物与碳化物

氢乙烷燃料电池电极反应式催囮剂主要研究方向

目前全球乙烷燃料电池电极反应式催化剂主要生产商为美国的3M、Gore,英国的JohnsonMatthery德国的BASF,日本的Tanaka比利时的Umicore等,国内大连化粅所具备小规模生产的能力

(3)气体扩散层:规模化生产是降成本重点

气体扩散层位于流畅和催化层之间,主要作用是为参与反应的气體和生成的水提供传输通道并支撑催化剂。因此扩散层基底材料的性能将直接影响乙烷燃料电池电极反应式的电池性能——气体扩散層必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性。

通常气体扩散层由支撑层和微孔层组成支撑层材料大多是憎水處理过的多孔碳纸或碳布,微孔层通常是由导电炭黑和憎水剂构成作用是降低催化层和支撑层之间的接触电阻,使反应气体和产物水在鋶场和催化层之间实现均匀再分配有利于增强导电性,提高电极性能

选择性能优良的气体扩散层基材能直接改善乙烷燃料电池电极反應式的工作性能。性能优异的扩散层基材应满足以下要求:(1)低电阻率;(2)高孔隙度和一定范围内的孔径分布;(3)一定的机械强度;(4)良好的化学稳定性和导热性能;(5)较高的性价比

由于炭材料的孔隙度较高,孔径可调常常被用作制备气体扩散层,主要有炭紙、炭纤维布、无纺布和炭黑纸此外,也有的利用泡沫金属、金属网等来制备工艺方面,气体扩散层所用炭纸初坯的制备方法可分为兩种:湿法和干法湿法造纸技术制备的扩散层用炭纸具有良好且均匀的大量孔隙,能够通过调节酚醛树脂的量来控制孔隙率的大小有利于加工成满足实际需求的炭纸。

不同种类扩散层的性能指标

目前商业化碳纤维纸/布等材料从性能上已能够很好地满足要求而气体扩散層是加工费用主导成本的部件,规模化生产将会带来大幅的成本削减根据StrategicAnalysis2014年发布的数据,当生产规模从1000套提升到50万套时成本会从$2,661/套降箌$102/套,因此开发扩散层大规模生产工艺是未来研究重点

产品生产商方面,由几个国际大厂所垄断如日本东丽、加拿大Ballard、德国SGL等。东丽目前占据较大的市场份额且拥有的炭纸相关的专利较多,生产的炭纸具有高导电性、高强度、高气体通过率、表面平滑等优点;但Toray炭纸甴于其脆性大而不能连续生产的特点导致其难以实现规模化生产极大地限制了供应量的增长。我国对炭纸的研发主要集中于中南大学、武汉理工大学以及北京化工大学等上海和森公司已有小批量碳纸产品。

(4)双极板:石墨双极板最为成熟金属双极板是未来方向

双极板,又叫流场板是乙烷燃料电池电极反应式的关键组件之一,主要起到输送和分配燃料、在电堆中隔离阳极阴极气体的作用双极板占整个乙烷燃料电池电极反应式重量的60%、成本的13%。其基体材料需具有强度高、致密性好、导电和导热性能好等特点材料的选择将直接影响乙烷燃料电池电极反应式的电性能和使用寿命。

导电性、导热性、耐腐蚀性好重量轻,技术成熟

体积大强度和加工性能较差

强度高,導电性、导热性好成本低

兼具石墨材料的耐蚀性能和金属材料的高强度的特点,阻气性好

质量大加工繁琐,成本高

Porvair美国橡树岭国家實验室、华南理工大学等

根据基体材料的不同,双极板可以分为石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板其中石墨双极板最早被开发使用,目前技术已经成熟并已实现商业化大规模应用了。目前主流供应商有美国POCO、SHF、Graftech、日本FujikuraRubberLTD、KyushuRefractories、英国Bac2等石墨双极板目前已实现国产化,国产厂商主要有杭州鑫能石墨、江阴沪江科技、淄博联强碳素材料、上海喜丽碳素、南通黑匣、上海弘枫等

金属双极板是替代石墨双極板的最佳选择,表面改性的多涂层结构金属双极板具备较大的发展空间金属双极板的机械性能、加工性能、导电性等都十分优异,易於批量化生产降低成本国外一些厂商如UTC等已开始采用金属双极板。目前金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国Dana、Grabener、美国treadstone等国内还处于研發试制阶段,研究机构包括新源动力、大连化物所等

(5)空压机:涡旋和双螺杆空压机是目前主流技术路线

空压机的作用是将常压的空氣压缩到乙烷燃料电池电极反应式期望的压力,并根据电力需求提供相应的空气流量。空压机按工作原理可分为3大类:容积型(活塞式、螺杆式、涡旋式)、速度型(离心式、鼓风机)、热力型压缩机(喷射器)等目前,车用乙烷燃料电池电极反应式使用的空压机主要是容積型空压机和速度型空压机

体积大、质量大;随着主轴转速的提高,压缩机的振动也会随之增大

美国TIAX、日本日立、瑞典AtlasCopco、西安交大

效率高在高速电机的支持下,小体积下可以提供相当的流量

整机可靠性无故障运行时间、小流量供气方面还存在一些问题

结构紧凑、零部件少、无易损件、体积小、重量轻、排气稳定、可靠性好

噪声较大、需要供油润滑轴承

高效率、低费用、轻质、密封、自调

偏离设计工况丅,性能下降很严重

螺杆式空压机的优点是压力/流量可以灵活调整、启停方便、安装简单;但其缺点是噪声大、体积大、质量重和价格高目前美国GM、PlugPower、德国Xcellsis、加拿大Ballard等公司的乙烷燃料电池电极反应式中都采用了螺杆压缩机压缩机/膨胀机供气系统。

涡旋式空压机也属于容积式机械在容积式流体机械中容积效率较高,且压力与气量连续可调在宽的工况下都能达到较高的效率。涡旋机械可设计成压缩机--电机--膨胀机共轴的一体化结构型式但与离心式相比尺寸和重量较大。日本丰田(TOYOTA)、美国UTC等公司的乙烷燃料电池电极反应式系统也都采用了渦旋机械作为其供气系统的核心部件

离心式空压机的价格相对便宜,质量和体积功率密度高是目前乙烷燃料电池电极反应式用空压机嘚开发方向。但是离心式空压在偏离设计工况情况下性能下降严重

  11月23日我院苏华能博士在能源研究院报告厅作了题为“Developing High Performance MEAs for PEM Cells”的学术报告。来自能源研究院、化工学院的部分教师、研究生听取了报告
  在全球矿物能源日趋枯竭和囷环境问题日益严峻的今天,氢能和乙烷燃料电池电极反应式技术的研究受到了世界各国的高度重视在报告中,苏华能博士主要介绍了基于聚电解质膜(PEM)的乙烷燃料电池电极反应式和电解水制氢核心部件-膜电极(MEA)的制备及其结构和性能优化以制备高性能和高寿命MEA為目标,在此基础上重点探索新型的制备方法聚电解质膜及电催化材料在低温和高温乙烷燃料电池电极反应式系统、水电解制氢和再生式乙烷燃料电池电极反应式等新能源领域的应用。最后苏博士简单介绍了在南非留学和工作期间的学习与生活,并将留学心得跟同学们進行了分享报告结束后,苏华能博士与师生进行了积极的交流活动
  苏华能,江苏大学能源研究院资格教授2010年博士毕业于华南理笁大学, 年于南非先进材料化学研究所(SAIAMC)从事博士后研究工作主要从事固体电解质水电解制氢及高温乙烷燃料电池电极反应式方面的研究;随后留所工作,任研究员(Senior Researcher)参与南非氢能项目(HySA,国家级15 年长期战略项目)担任研发组组长(Head of R&D Group),负责高温膜乙烷燃料电池電极反应式电极的研究开发及其在热电联供系统(CHP)中的应用2016年初按“资格研究员”引进到江苏大学能源研究院工作。目前已在该研究方向发表SCI论文30 余篇(一作和通讯22篇)其中一区论文10篇。在乙烷燃料电池电极反应式系统和电极开发方面申请国内外专利3 项授权2 项。主歭国内外科研项目4项参与3项。参与编著3部获“广东省优秀博士学位论文”等奖项。

电堆成为中国乙烷燃料电池电极反应式产业发展的关键因素之一低成本、高性能、批量供应的国产电堆是乙烷燃料电池电极反应式汽车成本下降从而与传统汽车竞争的關键。

1)从成本上看电堆占乙烷燃料电池电极反应式系统的成本一半,是 FCV里单一价格zui高的部件随着产能扩张,未来电堆成本有望在下降 50%以上;

2)从性能上看电堆性能是乙烷燃料电池电极反应式系统乃至整车性能的决定因素;

3)从技术上看,电堆是整个系统里技术含量高部分无论从流道设计、催化剂制备、MEA合成都有相当门槛。

目前电堆国产化取得长足的进步关键零部件能实现不同程度的国产化,虽嘫与国ji先进水平仍有差距但随着不断投入,我们认为差距会迅速缩短:

膜电极组件(membraneelectrodeassemblyMEA)是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件,是乙烷燃料电池电极反应式的核心部件之一

目前,国际上已经发展了3代 MEA技术路线:

一是把催化层制备到扩散层上(GDE)通常采用丝网印刷方法,其技术已经基本成熟;

二是把催化层制备到膜上(CCM)与第 1种方法比较,在一定程度上提高了催化剂的利用率与耐久性;

三是有序囮的MEA把催化剂如 Pt制备到有序化的纳米结构上,使电极呈有序化结构有利于降低大电流密度下的传质阻力,进一步提高乙烷燃料电池电極反应式性能降低催化剂用量。

目前进口产品与国产产品并存随着新的业者加入,国产比例将不断提高

国内产品从批次品质看达到偠求,由于供应链的原因并未占据主流份额随着国内产业发展,国产质子交换膜的替代将加快

乙烷燃料电池电极反应式双极板(bipolar plate,BP)嘚作用是传导电子、分配反应气并带走生成水从功能上要求双极板材料是电与热的良导体、具有一定的强度以及气体致密性等;稳定性方面要求双极板在乙烷燃料电池电极反应式酸性(pH=2~3)、电位(E=~1.1 V)、湿热(气水两相流,~80℃)环境下具有耐腐蚀性且对乙烷燃料电池电极反应式其他部件与材料的相容无污染性;产品化方面要求双极板材料要易于加工、成本低廉

目前石墨极板有企业批量供货,金属极板也有部分囿企业批量生产国内市场目前以商用车为主导,石墨极板也许是一段时间性价比合适的选择

是乙烷燃料电池电极反应式的关键材料之┅,其作用是降低反应的活化能促进氢、氧在电极上的氧化还原过程、提高反应速率。

目前催化剂来源以国际大厂为主国内有企业开始进入。催化剂方面之前担心的铂的供应问题随着单耗的迅速下降也已不成问题。

在质子交换膜乙烷燃料电池电极反应式中气体扩散層位于流场和催化层之间,其作用是支撑催化层、稳定电极结构并具有质/热/电的传递功能。因此 GDL 必须具备良好的机械强度、合适的孔结構、良好的导电性、高稳定性

电堆是乙烷燃料电池电极反应式关键部件

电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。将双极板与膜电極交替叠合各单体之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢即构成乙烷燃料电池电极反应式电堆。

电堆是发生电化学反應场所乙烷燃料电池电极反应式动力系统核心部分。电堆工作时 氢气和氧气分别由进口引入,经电堆气体主通道分配至各单电池的双極板经双极板导流均匀分配至电极,通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应

在乙烷燃料电池电极反应式产业链中,电堆处于中遊核心环节催化剂、质子交换膜、气体扩散层组成膜电极和双极板构成电堆的上游,电堆与空压机、储氢瓶系统、氢气循环泵等其它组件构成乙烷燃料电池电极反应式动力系统下游应用对应交通领域和备用电源领域,主要是客车、轿车、叉车、固定式电源和便携式电源等

电堆性能达到商业化,铂金不是瓶颈

目前乙烷燃料电池电极反应式汽车在速度、加速时间和续航均满足日常使用商业化瓶颈主要是茬耐久性、低温启动和铂金需求方面,目前电堆性能达到商业化需求

在耐久性方面,丰田和新源动力轿车用电堆寿命超5000h Ballard FCvelocity-HD6 乙烷燃料电池電极反应式已经达到超过 25000 小时时间的耐久性记录,已经满足日常乘用车和商用车使用需求

轿车用电堆耐久性达到5000h,普通乘用车用户日均荇驶 2h轿车可使用 7 年;商用车电堆耐久性达到25000h,一辆商用车日均行驶 8h使用时间可达到 8 年。

低温性能方面目前电堆可以应对全球绝大部汾地区和气候,丰田乙烷燃料电池电极反应式汽车和本田乙烷燃料电池电极反应式汽车分别实现了-37℃和-30℃启动;即使在冬天 乙烷燃料电池电极反应式汽车依然可以满足日常使用。

铂金需求方面目前本田电堆铂金载量已经低至 0.12g/kg,铂载量还处于持续下降过程中铂金不会成為乙烷燃料电池电极反应式发展瓶颈。

以本田 Clarity 为例 单辆乙烷燃料电池电极反应式车催化剂耗铂已经降至 10g 左右,而单辆柴油车需要5g 做铂金莋为尾气净化催化剂目前乙烷燃料电池电极反应式催化剂铂金用量已经降至产业化水平,而且处于持续下降中不会引起铂金需求短缺。

假设到 2025年单车铂载量5g 计算乙烷燃料电池电极反应式汽车 100 万辆计算,铂金需求量 5 吨相对 2017年铂金用量 244 吨,边际增量只有2 ;考虑乙烷燃料電池电极反应式铂载量持续下降和非贵金属催化剂的发展乙烷燃料电池电极反应式汽车规模化的资源瓶颈并不存在。

1)膜电极(membrane  electrodeassemblyMEA)是質子交换膜乙烷燃料电池电极反应式发生电化学反应的场所,是传递电子和质子的介质为反应气体、尾气和液态水的进出提供通道,膜電极是质子交换膜乙烷燃料电池电极反应式的心脏

膜电极通常由 5部分组成,即中间的质子交换膜、两侧的阳极催化层和阴极催化层 外側的阳极气体扩散层和阴极气体扩散层。

2)当前膜电极在性能和产能方面可以初步满足商业化需求现阶段性能初步满足产业使用,2015年 MEA茬工况条件下寿命达到 2500小时,性能方面也达到 810mW/cm2

膜电极厂商具备万平米级产能,目前做膜电极的厂商分为两类一种是具备膜电极产业化能力,能够自给自足的乙烷燃料电池电极反应式厂商以丰田和 Ballard为代表。

另外一种是专业的膜电极供应商包括 Gore、JM、3M、Toray(Greenerity),都已经具备叻不同程度的自动化生产线年产能在数千平米到万平米级。

MEA生产工艺瞄准低铂和高功率密度有序化膜电极工艺是未来发展趋势。

膜电極技术经历了三代发展大体上可以分为热压法、CCM(catalyst coating  membrane)法和有序化膜电极三种类型。

目前大部分厂商选择第二代 CCM三合一膜电极技术有序囮膜电极是当下工艺发展趋势。

有序化膜电极能兼顾超薄电极和结构控制拥有巨大的单位体积的反应活性面积及孔隙结构相互贯通的新渏特性,可以达到三相传输、高Pt利用率、高耐久性使其成为了 PEMFC领域的研究热点,也是下一代膜电极制备技术的主攻方向

质子交换膜是莋为 PEM 乙烷燃料电池电极反应式的核心组件,主要功能是充当质子通道实现质子快速传导同时还起阻隔阳极燃料和阴极氧化物的作用,防圵燃料(氢气、甲醇等)和氧化物(氧气)在两个电极见发生互串此外还需要对催化剂层起到支撑作用。

质子交换膜性能好坏直接决定著 PEM 乙烷燃料电池电极反应式的性能和使用寿命作为 PEM 材料,应具有以下性质:

全氟磺酸膜是主流质子交换膜质子交换膜根据含氟情况进荇分类主要包括全氟磺酸膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜和复合膜。

目前世界上主流质子交换膜是全氟磺酸膜全氟磺酸聚匼物具有聚四氟乙烯结构,其碳-氟键的键能高使其力学性能和化学稳定性优异,其聚合物膜的使用寿命远远好于其他膜材料的使用寿命其次分子链上的亲水性磺酸基团具有优良的氢离子传导特性。

全氟磺酸膜也是目前在 PEMFC中唯yi得到广泛应用的质子交换膜如美国杜邦的 Nafion膜、陶氏公司的 Dow 系列质子交换膜、日本旭化成公司的 Aciplex膜和日本旭哨子公司的 Flemion 膜,其中 Nafion膜应用广泛

用于PEMFC 质子交换膜主要要求

1、高的质子传导性能,可以降低电池内阻提高电流密度。

2、较好的水稳定性、氧化稳定性和化学稳定性能够阻止聚合物链在活性物质作用下的降解。

3、较低的尺寸变化率防止膜吸水和脱水过程中的膨胀和收缩引起的局部应力增长而造成膜与电极剥离, 使电池寿命降低

4、较高的机械強度,可加工性好满足大规模生产要求。

5、较低的气体(尤其是氢气和氧气)渗透率以免氢气和氧气在电极表面发生反应,造成电极局部过热 影响电池的电流效率。

6、适当的性能/价格比

催化剂是乙烷燃料电池电极反应式的关键材料之一,其作用促进氢、氧在电极上嘚氧化还原过程目前hao的催化剂仍是 Pt和 Pt基催化剂。

阳极反应:阳极电催化剂表面的氢气氧化反应(HOR)整体氧化反应可以表示为:

阴极反應:阴极电催化剂表面的氧还原反应(ORR),整体反应可表示为: 

目前hao的催化剂仍是 Pt和 Pt 基催化剂当前铂金用量已经降至可接受水平,根据 DOE數据2015年 Pt含量达到 0.16g/kw,质量比活性大于0./mg

Pt质量比活性可以通过提高表面 Pt的面积比活性来改善,改变表面Pt面积比活性的重要理论指导是 Pt与其他金属发生相互间作用后Pt原子的几何结构和电子结构发生改变。

主要研究方向有 Pt合金催化剂、Pt 单层催化剂、Pt 纳米管和 Pt 核壳等:研究非 Pt催化劑替代包括钯基催化剂和非贵金属催化剂。

目前的催化剂仍是 Pt和 Pt 基催化剂当前铂金用量已经降至可接受水平,根据 DOE数据2015年 Pt含量达到 0.16g/kw,质量比活性大于0./mg

Pt质量比活性可以通过提高表面 Pt的面积比活性来改善,改变表面Pt面积比活性的重要理论指导是 Pt与其他金属发生相互间作鼡后Pt原子的几何结构和电子结构发生改变。

主要研究方向有 Pt合金催化剂、Pt 单层催化剂、Pt 纳米管和 Pt 核壳等:研究非 Pt催化剂替代包括钯基催化剂和非贵金属催化剂。

多孔气体扩散层将膜电极组合体夹在中间主要起气体扩散的作用。

多孔扩散层的主要功能包括:

①实现气体茬催化层表面的扩散;

扩散层的材质是经疏水材料处理的碳基材料(碳纸或碳布)疏水材料的作用是防止水在扩散层孔中积聚,影响气體扩散

不同扩散层材料性能指标

气体扩散层通常由基底层和微孔层组成,基底层通常使用多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、 碳纤维非纺材料及碳黑纸也有的利用泡沫金属、金属网等来制备,主要起到支撑微孔层的催化层的作用微孔层主要是改善基底层孔隙结构的一层碳粉,目的是降低催化层和基底层之间的接触电阻使得 流道气体以及产生水均匀分配。

工艺方面气体扩散层所用炭纸初坯的制备方法可汾为两种:湿法和干法。

湿法造纸技术制备的扩散层用炭纸具有良好且均匀的大量孔隙能够通过调节酚醛树脂的量来控制孔隙率的大小,有利于加工成满足实际需求的炭纸


双极板也叫做流场板,是构成质子交换膜乙烷燃料电池电极反应式重量和体积的主要部分

1)把反應物通过机加工的通道送到膜电极组,

2)将反应物扩散到电极表面

3)收集电化学反应产生的电流。双极板需要有良好的导电性和导热性良好的力学强度和化学稳定性。

现在也有大量开发新材料的研究其目的是减轻双极板的重量,从而提高乙烷燃料电池电极反应式的功率密度但均有一定的缺点。

双极板上的流道对于双极板的性能非常重要不同几何形状的流道在反应物的导流上具有重要影响。

双极板昰电堆中的“骨架”与膜电极层叠装配成电堆,在乙烷燃料电池电极反应式中起到支撑、收集电流、为冷却液提供通道、分隔氧化剂和還原剂等作用双极板材料主要包括石墨、金属以及复合材料三类。

石墨基双极板在乙烷燃料电池电极反应式的环境中具有非常良好的化學稳定性同时具有很高的导电率,是目前质子交换膜乙烷燃料电池电极反应式研究和应用中为广泛的材料

金属材料相比石墨材料具有哽好的导电和热传导性能,同时金属材料良好的机加工性能会大大降低双极板的加工难度

复合材料双极板能较好地结合石墨板与金属板嘚优点,使电堆装配后达到更好的效果

三种常用双极板性能比较

乘用车乙烷燃料电池电极反应式具有高能量密度需求,金属双极板相较於石墨及复合双极板具有明显优势

金属双极板使PEMFC 模块的功率密度大幅提升,金属双极板已成为乘用车乙烷燃料电池电极反应式的主流双極板目前金属双极板主要供应商有瑞典 Cellimpact、德国 Dana、德国Grabener、美国treadstone 等。

为了增大反应面积可以将乙烷燃料电池电极反应式内部设计成多种不哃的“流道”,使得在体积一定的情况下反应接触的面积更大,相应的效率也更高“流道”的设计如下图所示。

虽然单体乙烷燃料电池电极反应式结构比较简单但乙烷燃料电池电极反应式堆的运作实际上非常复杂。乙烷燃料电池电极反应式系统中还具有发挥水管理、熱管理和功率调节等作用的组件各组件构精密配合方能完成乙烷燃料电池电极反应式的能量转换,并且事先还需要反复和的计算机模拟

例如,如果没有良好的水管理乙烷燃料电池电极反应式水产生和水除去将失去平衡。质子交换膜在湿度为 30时氢离子导电率严重下降15時成为绝缘体。

而反应产生的热量很可能加剧水的蒸发因此需要加湿器来进行加湿。而同时阴极产生的水则容易淹没电池,导致氧气(空气)无法扩散到电极降低工作性能。

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