导读：燃料电池是一种电化学设备，通过与催化剂和氧气发生反应，将氢气转化成电流（和热量）。水是唯一的副产品，这使得燃料电池不仅效率高，而且还非常环保。本章将主要介绍燃料电池的核心部件膜电极，了解其国内技术现状及发展趋势。膜电极（Membrane Electrode Assembly，MEA）是燃料电池电化学反应的基本单元，它的设计和制备首先要遵循电池电化学反应的基本原理和特性，并且与电池最终的使用条件相结合来综合考虑。MEA主要由质子交换膜、催化剂层和气体扩散层“三合一结构”组成，其结构设计和制备工艺技术是燃料电池研究的关键技术，它决定了电池的工作性能和实际应用的优劣。根据DOE的测算，在大规模生产（50万台/年）的情况下，MEA占PEMFC成本的60%。 膜电极技术经历了几代革新，大体上可以分为热压法、CCM法和有序化膜电极三种类型。膜电极的材料、结构及操作条件等决定着其电化学性能。膜电极结构的有序化使得电子、质子气体传质高效通畅，对提高发电性能和降低PGM的载量提供了新的解决方案。总体来看，有序化膜电极是下一代膜电极制备技术的主攻方向。(1) 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㎡。(2) 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。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。
当前国内膜电极生产厂家总数已超过15家，主要有大连新源动力股份有限公司、武汉理工氢电科技有限公司、苏州擎动动力科技有限公司、鸿基创能等，其中鸿基创能产能达到300000㎡，总产能超过360000㎡，已经满足当前产业化需求，后续应当进一步提升MEA性能、延长寿命和降成本。PEMFC在技术上，国内外取得了巨大突破。但是，质子交换膜燃料电池要实现商业化，必须降低电池材料及部件的成本，仍需在膜电极的制备上进行深入研究。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.
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