天津大学等今日Nature再谈燃料电池之未来!

天津大学等今日Nature再谈燃料电池之未来!
天津大学等今日Nature再谈燃料电池之未来!
第一作者:焦魁
通讯作者:焦魁,侯中军Michael D. Guiver
通讯单位:天津大学,上海捷氢科技有限公司

【研究亮点】
1、提出了下一代高功率密度质子交换膜燃料电池的技术发展方向。
2、提出了在水和热管理以及材料方面改进膜电极及其组件的最新想法。

【主要内容】
为了解决由化石燃料能源使用引起的全球能源消耗和环境污染日益增加的问题,全球可再生和环保能源解决方案持续增长。基于可再生能源的氢经济——包括制氢、储氢和将氢转化为电能——被广泛认为是有前景的未来能源的解决方案。在氢经济中,燃料电池汽车(FCV)是提供低碳运输的关键,当使用可再生能源生产氢时,温室气体排放量将减少到接近于零。其中燃料电池汽车的核心部件-质子交换膜燃料电池-还存在技术壁垒需要克服。此外,质子交换膜燃料电池电堆的性能、成本和耐用性极大地影响了燃料电池汽车的大规模商业化,提高功率密度对燃料电池汽车的发展至关重要。

天津大学焦魁教授以及Michael D. Guiver教授等人联合上海捷氢科技有限公司副总裁候中军展望了质子交换膜燃料电池组件的发展方向,包括它们的整个相互关系和设计,有助于实现下一代质子交换膜燃料电池的功率密度目标:也就是将功率密度从目前的约4 kW L-1 提高到6 kW L-1 的短期目标,以及9 kW L-1 的长期目标。

典型的质子交换膜燃料电池通常包括膜电极组件 (MEA) 和双极板 (BP),其中膜电极组件由含微孔层 (MPL)的气体扩散层 (GDL)、催化层 (CL)和质子交换膜(PEM)组成。气体扩散层和微孔层的未来发展应侧重于优化跨尺度和跨组件传输,同时在结构和润湿性控制方面与其他组件的改进兼容。对于催化层,新型催化剂的活性在旋转圆盘电极上足够大,但在膜电极组件和堆栈级别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。有序结构的膜电极组件很有希望应用于未来质子交换膜燃料电池,因为它可以在超低催化剂负载下实现高功率密度。在接下来的 5-10 年中,具有增强耐用性和适应性的全氟磺酸(PFSA)基聚合物预计将继续主导质子交换膜市场。双极板设计的未来目标是解决耐腐蚀性、制造成本和界面接触电阻问题。未来的超高功率密度操作需要增强物质传输能力。由于其消除界面和减小体积的优势,集成化的双极板-膜电极组件设计有望为实现超高功率密度提供一条有前途的途径。

总而言之,提高功率密度、降低成本和增强质子交换膜燃料电池的耐用性将直接促进其大规模商业化应用。这三个标准在很大程度上相互关联,有时相互制约,在开发不同的燃料电池产品时应综合考虑。在现有材料框架下,建立精细可控、易于制造的结构设计是一个关键方向,同时新材料的研发有望产生长期深远的影响。

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Fig. 1 Expected application domains of BEVs and FCVs in future automotive transportation, and comparison of their technical characteristics.

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Fig. 2 Overview of progressive improvements in PEMFCs to meet future high-power-density requirements and a schematic explanation of the working principle.

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Fig. 3 State-of-the-art and next-generation MEA designs.

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Fig. 4 | Trends in the development of BPs for FCVs.

【文献信息】
Jiao, K., Xuan, J., Du, Q. et al. Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells. Nature 595, 361–369 (2021).
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03482-7

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参考文献: