目前，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的大規(guī)模商業(yè)化仍需要克服諸多來(lái)自器件本身和基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)的挑戰(zhàn)，其中最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一是提高PEMFC的功率密度，對(duì)此，日本新能源和工業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)組織提出了最新要求， 即2030 年和 2040 年燃料電池汽車應(yīng)用的電池堆功率密度的短期和長(zhǎng)期目標(biāo)分別為6 KW L-1和 9 KW L-1。有鑒于此，天津大學(xué)焦魁教授，Michael D. Guiver，上海捷氫科技有限公司Zhongjun Hou等人發(fā)表了關(guān)于下一代高功率密度PEMFC 技術(shù)發(fā)展方向的文章，提出了在水和熱管理以及組件材料方面改進(jìn)膜電極組件（MEA）的最新見(jiàn)解，從而實(shí)現(xiàn)下一代 PEMFC 的高功率密度的短期和長(zhǎng)期目標(biāo)。
通訊作者：焦魁 , Michael D. Guiver，Zhongjun Hou通訊單位：天津大學(xué)，上海捷氫科技有限公司燃料電池汽車（FCVs）和純電動(dòng)汽車（BEVs）的對(duì)比首先，BEVs 采用的電池是一種儲(chǔ)能裝置，而FCVs采用的燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，通常使用氫來(lái)儲(chǔ)存能量。作為一種存儲(chǔ)介質(zhì)，氫相比鋰離子電池具有固有的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出更高的能量密度和更短的加油時(shí)間。其次，在零度以下的低溫條件下，FCV的性能表現(xiàn)也優(yōu)于BEV，后者通常具有極低的放電容量。而在成本方面，短程（200英里以下）車輛中，F(xiàn)CV成本高于BEV，而在遠(yuǎn)程車輛（超過(guò) 300 英里）中，F(xiàn)CV具有更低的成本。然而，相比于已經(jīng)商業(yè)化的BEV而言，目前FCV的使用效率仍然很低，相關(guān)配套基礎(chǔ)設(shè)施仍處于起步階段。因此人們普遍認(rèn)為，FCV更適合重型和長(zhǎng)途運(yùn)輸，以及叉車等其他商用車輛，而BEV更適合輕型和短途運(yùn)輸。在過(guò)去的二十年里，隨著鋰離子電池的快速發(fā)展， BEV實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)化。而FCV核心組件，PEMFC仍存在許多技術(shù)障礙，此外，PEMFC電池組的性能、成本和耐用性也極大地影響了FCV的大規(guī)模商業(yè)化。因此，提高PEMFC的功率密度對(duì)于燃料電池車的發(fā)展至關(guān)重要。圖1. BEVs和FCVs在應(yīng)用領(lǐng)域以及技術(shù)特性的比較。為開(kāi)發(fā)下一代高功率PEMFC，全面總結(jié)PEMFC的所有組件存在的問(wèn)題以及發(fā)展?jié)摿哂兄匾饬x。單一PEMFC通常由膜電極組件（MEA）和雙極板（BP）組成。其中 MEA 由氣體擴(kuò)散層 (GDL)、催化劑層 (CL) 和質(zhì)子交換膜（PEM）組成。圖2. 高功率密度PEMFC的改進(jìn)和發(fā)展方向為了提高功率密度，促進(jìn)PEMFC更廣泛的商業(yè)化應(yīng)用，開(kāi)發(fā)性能更高、耐久性更好、成本更低的MEA具有重要意義。復(fù)寫紙得益于其在導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度、耐化學(xué)性和制造成本方面的優(yōu)勢(shì)，有望繼續(xù)成為GDLs的主流選擇。改進(jìn)策略包括： i）開(kāi)發(fā)具有梯度孔徑的GDL可提高M(jìn)EA的傳質(zhì)能力，例如，降低GDL一側(cè)或兩側(cè)的孔隙率可以降低接觸電阻，并在GDL內(nèi)部產(chǎn)生孔隙梯度，以促進(jìn)反應(yīng)物的供應(yīng)和水的去除； ii）元件集成化設(shè)計(jì)（BP-MEA設(shè)計(jì)或無(wú)GDL設(shè)計(jì)），降低或消除界面電阻，以同時(shí)滿足導(dǎo)電、氣體分配和水管理的要求。圖3. 下一代 MEA 組件的設(shè)計(jì)CL的性能決定了PEMFC的功率密度，為了在低催化劑負(fù)載下實(shí)現(xiàn)9 kW·l-1的高功率密度，需要超過(guò)0.8 V的高電池輸出電壓和4.4 A·cm-2的電流密度，因此，必須開(kāi)發(fā)具有高活性的催化劑，可以采用以下策略：i）設(shè)計(jì)新型催化劑結(jié)構(gòu)（納米籠、核殼、納米框架、納米線和納米晶體等）以提高催化劑的比活性和質(zhì)量活性；ii）碳載體的適當(dāng)改性可以顯著提高PEMFC功率密度；iii）改進(jìn)催化劑/離聚物界面可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)子傳輸和氧傳輸之間的平衡以及充分利用催化劑。高功率質(zhì)子交換膜燃料電池的理想膜是在低濕度條件下具有高質(zhì)子傳導(dǎo)率和良好的電化學(xué)及機(jī)械穩(wěn)定性的PEM膜是用于高功率PEMFC的理想膜。目前，優(yōu)化PEM提高燃料電池的功率密度的主要策略是減小商用全氟磺酸膜（PFSA）的膜厚度。同時(shí)，摻雜鈰鹽可提高薄膜的機(jī)械性能和耐久性。此外，聚多巴胺處理的具有自支撐CeOx自由基清除劑的復(fù)合膜同時(shí)表現(xiàn)出增強(qiáng)的化學(xué)和機(jī)械耐久性，是穩(wěn)定未來(lái)高性能PEMFCs的一種有效途徑。此外，開(kāi)發(fā)能夠在低相對(duì)濕度條件下運(yùn)行的PEM可以降低加濕要求，從而間接提高功率密度。傳質(zhì)是BP設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。提高傳質(zhì)仍然是下一代高性能PEMFCs設(shè)計(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)。目前，BP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩條既定的設(shè)計(jì)路線，一種是改進(jìn)和縮小流動(dòng)通道-肋結(jié)構(gòu)（具有平行、蛇形、波浪形和交叉形狀的流動(dòng)通道），另一種是開(kāi)發(fā)沒(méi)有肋但具有微槽或多孔結(jié)構(gòu)的流動(dòng)場(chǎng)（具有特色條紋、圓點(diǎn)和網(wǎng)格的流動(dòng)場(chǎng)）。熱傳導(dǎo)和電子傳導(dǎo)是BP設(shè)計(jì)中的另外兩個(gè)挑戰(zhàn)，必須要降低BP和GDL之間的熱和電界面接觸電阻。此外，BP的耐久性主要受電化學(xué)腐蝕和機(jī)械降解的影響，為了減輕腐蝕，通常通過(guò)加入能夠形成低電阻氧化膜的材料或通過(guò)沉積耐腐蝕涂層來(lái)用鈍化層處理BP。同時(shí)，需要進(jìn)一步提高BPs的制造能力，降低制造成本，以滿足燃料電池產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)基礎(chǔ)。圖4. 用于未來(lái)FCV中的BP的發(fā)展
小結(jié)
提高功率密度、降低成本和增加 PEMFC 的耐用性有望直接促進(jìn)其大規(guī)模商業(yè)化。這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上相互關(guān)聯(lián)，有時(shí)相互制約，因此，需要綜合考慮。此外，在現(xiàn)有材料體系下，建立精細(xì)可控、易于制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵研究方向，而新材料的發(fā)展則有望產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
Jiao, K., Xuan, J., Du, Q. et al. Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells. Nature 2021, 595, 361–369.DOI：10.1038/s41586-021-03482-7https://doi.org/10.1038/s41586-021-03482-7
