【引言】
隨著質子交換膜燃料電池（PEMFC）技術的天津快速發展，全球對清潔和可持續能源應用的大學電池需求不斷增加。在實現廣泛的綜述質交商業化之前，需要克服許多器件級和基礎設施方面的設計挑戰，其中最關鍵的下代挑戰之一是提高PEMFC的功率密度，全球各地都提出了雄心勃勃的換膜目標。例如，燃料日本新能源和工業技術開發組織的材料短期和長期功率密度目標分別是到2030年每升6千瓦和2040年每升9千瓦。
【成果簡介】
近日，天津在天津大學Michael D. Guiver教授和焦魁（共同通訊作者）團隊帶領下，大學電池提出了下一代高功率密度PEMFCs的綜述質交技術發展方向。提出了在水和熱管理以及材料方面改進膜電極組件及其組件改進的設計最新想法。這些概念有望在下一代PEMFCs中實現高功率密度。下代相關成果以題為“Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells”發表在了Nature。換膜
【圖文導讀】
圖1?純電動汽車和燃料電池汽車在未來汽車運輸中的燃料應用領域及技術特性比較
FCV的優勢包括更好的能量介質、更高的能量密度、更短的加油時間、更低的成本和更低的安全風險，以及更好的低溫性能。BEV具有更高的使用效率和更廣泛的基礎設施。該表格顯示了動力系統的能量密度，其中BEV包括電池組和電池管理系統，FCV則包括燃料電池系統和氫氣罐。FCV的加油時間約為5 ~ 10 min；類似規模的BEV充電時間為幾到幾十小時。這里不考慮BEV的快速充電，因為這大大降低了循環壽命，不能用于日常充電。顯示的效率是BEV的充電效率和FCV的氫-電轉換效率。
圖2 滿足未來高功率密度要求而逐步改進的PEMFCs的工作原理的示意圖
圖3 最先進的下一代MEA設計
a）未來GDL發展的兩種潛在方法：左邊，孔徑梯度，通過調控碳纖維排列實現；右邊，采用泡沫材料集成的BP-MEA設計或無GDL設計。
b）CL的關鍵進展。(I）具有特殊形狀和超高活性的新型催化劑實現了高功率密度和較低的催化劑負載（Pt1.5Ni納米籠、PtCo芯殼、PtNi納米框架、Pt納米線、過渡金屬摻雜的Pt3Ni八面體）。(II)碳載體的改性使離聚物分布均勻，催化劑利用率高（碳載體的氮摻雜和具有可接近介孔的碳）。(III) 通過分子排列促進Pt/離聚物界面。
c）PEMs的最新設計方法：左邊，膜的Ce摻雜增強了膜的穩定性；中間，納米裂紋調節的自增濕膜調節保水能力；右邊，一種帶有貫穿平面的質子傳輸通道的薄膜，即使在極低的相對濕度下也能實現有效的質子傳導。
圖4 燃料電池汽車雙極板的發展趨勢
【總結與展望】
PEMFCs由于其在燃料電池汽車的汽車推進方面的優勢和近年來的顯著技術進步而備受關注。這一觀點突出了PEMFC組件的發展方向，包括它們之間的相互關系和設計，有助于實現下一代PEMFCs的功率密度目標：功率密度從目前的4kw l?1左右提高到短期目標6kw l?1，長期目標9kw l?1。GDLs和MPLs的未來發展應著眼于跨尺度和跨組件傳輸的優化，同時在結構和潤濕性控制方面與其他組件的改進兼容。對于CL，新型催化劑的活性在RDE級別上足夠大，但在MEA和堆棧級別上仍需要相當大的改進?；诜肿优帕械奶驾d體和催化劑/聚合物界面的改性有望改善離聚物分布和催化劑利用率，因此有序結構的MEA可以在超低催化劑負載下實現高功率密度。在未來5-10年，具有耐久性和增強適應性的PFSA基聚合物預計將繼續主導PEM市場。BP設計的未來目標是解決耐腐蝕、制造成本和界面接觸電阻等問題。未來超高功率密度操作需要提高大規模傳輸能力。由于BP-MEA集成設計具有消除界面和減小體積的優點，預計將為實現超高功率密度提供一條有前景的道路。提高動力密度、降低成本和提高PEMFC的耐久性將直接促進大規模商業化。這三個標準在很大程度上是相互關聯的，有時也相互制約，在開發不同的燃料電池產品時應該全面考慮這三個標準。總體而言，在現有材料框架下，建立易于制造的精細化、可控的結構設計是一個關鍵方向，而新材料的開發有望在長期產生深遠影響。
文獻鏈接：Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells（Nature，2021，DOI:10.1038/s41586-021-03482-7）
本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。
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