膜电极是燃料电池电化学反应的基本单元,目前已经发展出两代成熟的工艺,第一代的膜电极制备工艺主要采用热压法,第二代是催化剂直接涂膜技术,提高了催化剂的利用率,提高了氢离子在催化剂层的扩散和运动,从而提高膜电极的性能,是目前的主流应用技术。http://h2city.net/cms/a/533.html燃料电池堆--膜电极

膜电极决定了电堆性能、寿命和成本的上限。国产膜电极性能与国际水平接近,但专业特性上(如铂载量、启停、冷启动、抗反极等)与国际水平还有一定差距。

图片来源于网络
 
资料显示,膜电极关键零部件包括“质子交换膜”、“催化剂”以及“气体扩散层”,每一个部件都在技术尚未完全突破、原料供应不足等问题上制约着国内市场的普及与发展。
 
质子交换膜:全氟磺酸型膜为目前主流,复合膜是未来发展方向。全氟磺酸膜:目前常用的商业化质子交换膜。全氟磺酸型膜是目前燃料电池主要采用的膜材料,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的Nafion系列膜。

复合膜:未来技术发展方向。目前,在技术研发方面,大连化学物理研究所和武汉理工大学都在积极研发复合膜技术。在产业化方面,亚洲最大的氟化企业山东东岳联合上海交通大学实现了复合膜的产业化。其开发的DF260膜性能出色,具备规模化生产能力,其采用的ePTFE增强复合膜结构,厚度达到15μm,在开路电压(OCV)情况下耐久性大于600h;膜运行时间达到6000h;在干湿循环和机械稳定性方面,循环次数超过20000次。该膜技术已经成熟并定型量产,第二代规划产能200000㎡。

催化剂:Pt/C是目前主流,超低铂、无铂是未来方向。目前燃料电池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。
 
燃料电池零部件的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。
 
目前全球燃料电池催化剂主要生产商为美国的3M、Gore,英国的Johnson Matthery,德国的BASF,日本的Tanaka,比利时的Umicore 等,国内大连化物所具备小规模生产的能力。

气体扩散层:通过规模化生产来降成本。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体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燃料电池的电池性能。

在国内,气体扩散层尚处于小规模生产阶段。上海河森公司生产生产的PEMFC专用高性能气体扩散层,具备1000㎡/月生产能力。目前国内开发的气体扩散层,其原材料多为进口。国内虽有自主开发的材料,但整体的产品状态并不能达到商业化要求。长远来看,其国产化的突破与量产,对降低国内燃料电池成本和推动商业化进程具有重要意义。

过去数十年,MEA技术已取得巨大突破。贵金属用量已从20世纪80年代的8mg/c㎡下降到如今0.102mg/c㎡,同时,MEA性能和寿命得到了较大程度的提升。目前国际MEA技术研究重点仍然集中在性能、寿命及成本上。国内MEA也取得较大进展。中国科学院大连化学物理研究所、武汉理工大学等在国家“863”项目支持下进行了低成本、高性能MEA研究,国内MEA技术可实现Pt载量0.2mg/c㎡,功率密度1.4W/c㎡,单电池MEA寿命超过5600h,与国际先进水平相当。

国内外膜电极性能对比分析

膜电极作为核心技术,国家长期支持该技术的研发并制订了明确的研发目标。根据《国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”等重点专项2019年度项目申报指南》,到2030年底,国家在膜电极领域的技术目标为下图所示。
 
国内2030年膜电极技术目标
 
国内膜电极企业代表
新源动力
 
新源动力研发的HYMEA膜电极产品,活性面积25-400cm2,功率密度≥1.0W/cm2,耐久性5000-10000h。新源动力拥有自主知识产权的质子交换膜燃料电池技术,部分关键技术达到国际一流水平。
 
针对商用车及乘用车使用场景,新源动力研发的第二代和第三代车用质子交换膜燃料电池膜电极,已投入市场使用。目前,第四代低铂高性能高耐久性膜电极正在进行开发和验证。
 
武汉理工氢电
 
武汉理工氢电科技有限公司成立于2018年3月,由深圳市雄韬股份与武汉理工大学共同发起成立,接力一脉相承的武汉理工新能源公司,专注于燃料电池核心零部件——膜电极的产业化与研发,目前已完成6000平米洁净厂房装修,并建成了自动化程度更高的膜电极生产线,膜电极产能达到2万平米/年,最终设计产能将达到10万平米/年。
 
苏州擎动科技
 
苏州擎动科技是一家氢燃料电池核心组件膜电极制造商,已通过国内外多家知名燃料电池厂家及研究院的测试,且和国内外多家燃料电池电堆厂家签署合作协议,并长期为其提供膜电极产品,
 
2019年2月,擎动科技自主研发的国内首套“卷对卷直接涂布法”膜电极生产线正式投产。据介绍,该条产线可实现年产膜电极100万片。
 
鸿基创能
 
10月26日,鸿基创能100万片膜电极正式下线。鸿基创能科技(广州)有限公司成立于2017年12月,致力于质子交换膜氢燃料电池用高性能膜电极的大规模产业化,解决国内在该技术领域的“卡脖子”问题。鸿基创能开发了CCM阴阳极双面直接涂布技术、膜电极一体化成型技术、膜电极自动化快速封装技术,为膜电极大规模产业化奠定坚实基础。
 
中科院大连化物所
 
2021年8月,大连化物所宣布在质子交换膜燃料电池低铂膜电极研究方面取得新进展,设计并制备了具有仿生结构的低铂纳米纤维电极,该电极显著提高了燃料电池水管理能力和电极稳定性。
 
该研究首次通过环境扫描电镜在线观察到燃料电池的产物水在纳米槽电极和传统Pt/C电极中的形成和输运过程,证明了该电极具有与禾本科植物类似的排水机制,验证了纳米槽电极优异的水管理能力,并且该研究为膜电极结构设计提供了一条新思路。
 
阜阳攀业
 
阜阳攀业正在建设全国首台涂布幅宽570mm膜电极阳极涂布生产线,建成后年产能达6万平米,二期扩产后产能也将达到36万平米/年;正在建设中的国内首台高精度自动双点胶五合一生产线,设计产能达13万片/年。
 
长城未势能源
 
今年10月,长城旗下未势能源实现了完全自研全新高性能膜电极规模化量产。据悉,长城创新“梯度技术”,形成了特有的商业化膜电极技术序列。依托此项创新性技术,长城陆续攻克了高功率密度、可靠封装和循环寿命等关键技术瓶颈。
 
未势能源自主设计全自动“卷对卷”膜电极生产线,集成在线检测技术,实现从浆料制备、狭缝涂布、CCM转印、边框膜封装、GDL贴合到产品下线,全流程高精度控制,将膜电极各部件的外形尺寸和分布精度均控制在100微米以内,电压偏差≤10mV,保障了产品的一致性和可靠性,且具有完备的反抄袭设计。
 
该膜电极产品单位面积发电功率、催化剂铂载量、使用寿命等关键性能指标均达到国内、国际先进水平,进一步促进膜电极核心技术国产化替代率。该产线全面达产后,可年产膜电极百万片以上,预计年产值超3亿元以上。
 
参考文献:许德超,赵子亮,赵洪辉等.国内燃料电池电堆技术进展综述[J].汽车文摘,2020(1):8-13.


点赞(2) 打赏

Comment list 共有 0 条评论

暂无评论

微信小程序

微信扫一扫体验

立即
投稿

微信公众账号

微信扫一扫加关注

发表
评论
返回
顶部