【干货】氢燃料电池用膜电极

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。

膜电极决定了电堆性能、寿命和成本的上限。

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中国市场的普及与发展。

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。

作者：张松氢能团队

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