天津大学今日Nature：燃料电池与纯电动汽车之争

高分子科学前沿材料科学前沿

发展车用氢能产业，推动质子交换膜燃料电池（PEMFC）汽车示范运行规模，是实现低碳减排的重要途径，对实现2030年碳达峰及2060年碳中和的目标具有重要意义。

然而，目前PEMFC技术的商业化仍处在起步阶段，其中最关键的挑战之一是提高 PEMFC 功率密度。根据日本新能源和工业技术开发组织（Japan NEDO）的最新要求， 2030 年和 2040 年燃料电池汽车应用的电池堆功率密度目标分别为6 KW L^-1和 9 KW L^-1。

2021年7月15日，天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室焦魁教授和Michael D. Guiver教授联合上海捷氢科技有限公司侯中军等人在《Nature》上发表了关于设计下一代质子交换膜燃料电池的Perspective文章。文章以“Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells”为题，重点介绍了高功率密度PEMFC 技术的发展方向，并提出了在水和热管理以及材料方面改进膜电极组件的最新想法，以实现下一代 PEMFC 功率密度的短期和长期目标。

01 燃料电池汽车 vs. 纯电动汽车

在氢经济中，燃料电池汽车 (FCV) 是提供低碳运输的关键，有望将碳排放量减少到零。作为两条低碳交通路线，燃料电池汽车经常被拿来和纯电动汽车（BEV）进行比较：

1. 能量密度：电池是能量储存装置，而燃料电池是能量转换装置，通常使用氢气进行能量储存。作为存储介质，氢与锂离子电池相比具有先天优势，燃料电池汽车具有更高的能量密度和更短的加油时间；

2. 低温电池性能：在低温的工作环境下，FCV 的性能要优于 BEV，因为 BEV 在低温下电池容量会显着降低

3. 成本：目前，对于短程（200英里以下）车辆，FCV的成本要高于BEV；然而，对于远程车辆（超过 300 英里），FCV的成本与BEV相当或更低。

4. 使用效率：由于氢基础设施仍处于初级阶段，FCV的使用效率远低于BEV。

图1. BEVs和FCVs在未来汽车运输中的应用领域，以及它们的技术特性比较。

基于上述技术特点的差异，业内普遍认为FCV更适合重型和长途运输，以及叉车等其他商用车辆，而BEV更适合轻型和短途运输（图1）。

近二十年来，随着锂离子电池技术的快速发展，结合电网家庭充电，BEV市场规模扩大。相比之下， FCV 的进一步发展还需要克服 PEMFC技术壁垒。此外，PEMFC 堆的性能、成本和耐用性也极大地影响了 FCV 的大规模商业化。

02 PEMFC组件的发展方向和未来目标

提高PEMFC功率密度对燃料电池汽车的发展至关重要。为了提高功率密度并促进 PEMFC 更广泛的商业应用，需要彻底了解当前涉及 PEMFC 的所有组件的挑战和潜力。

典型的单个 PEMFC 通常包括膜电极组件 (MEA) 和双极板 (BP)，其中 MEA 由具有微孔层 (MPL)的气体扩散层 (GDL)、催化剂层 (CL) 和质子交换膜（PEM）组成。

图2. 为满足未来的高功率密度要求，PEMFC的改进和发展方向。

膜电极（MEA）组件

为了实现 PEMFC 堆功率密度所需的大幅提升，制造具有更高性能、更好耐用性和更低成本的 MEA 具有重要意义。

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。

气体扩散层（GDL）

由于在导电性、机械强度、耐化学性和制造成本方面的优势，复写纸在未来有望继续成为 GDL 的主流选择。未来改进的策略主要在于：

i）设计具有梯度孔径的 GDL，以提高 MEA 本身的传质能力（图 3a，左图）。例如，降低 GDL 一侧或两侧的孔隙率可以降低接触电阻并在 GDL 内部产生孔隙梯度，以促进反应物供应和水分去除。

ii）采用“集成 BP-MEA”或“无 GDL”设计（见图 3a，右），减少或消除界面电阻，以同时满足导电、气体分配和水管理的要求。比如，将传质路径变得更短（预期通过平面距离从 0.5-0.6 mm到 0.3-0.4 mm）以满足对更高电流密度（3-4 A cm^-2）的需求。

图3. 下一代 MEA 组件的设计策略

催化剂层（CL）

燃料电池的最大功率密度由 CL 的性能决定。为了在低催化剂负载下实现 9 kW L^-1 的功率密度，需要超过 0.8 V 的高电池输出电压和 4.4 A cm^-2 的电流密度；

然而，这将需要在催化剂活性和 CL 设计方面取得相当大的突破（图 3）：

1、设计新型催化剂结构，如纳米笼、核壳、纳米框架、纳米线、纳米晶体，以提高催化剂比活性或质量活性；

2、对碳载体进行适当改性，如N掺杂，以确保离聚物非常均匀的覆盖，从而增强质子传输；

3、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。

质子交换膜（PEM）

要实现高功率的PEMFC ，理想的PEM需要在低湿度条件下具有高质子传导性以及良好的电化学和机械稳定性。

预计未来 5-10 年，基于 PFSA 的聚合物膜将继续发挥主导作用，并且 PEM 的不断改进预计将有助于提高功率密度 10-20%。

为了通过优化 PEM 来提高燃料电池的功率密度，主要策略是：

1、降低商用全氟磺酸 (PFSA) 基膜的膜厚度，不仅可以减少了质子和水的传输路径，还能够实现自加湿，避免阳极干燥；

2、具有自支撑 CeO_x 自由基清除剂的聚多巴胺处理复合膜同时表现出增强的化学和机械耐久性，这可能是稳定未来高性能 PEMFC 的合适方法（图 3c ）。

3、在PEM表面修饰纳米结构疏水涂层，以增强保水性，提高烃类 PEM的质子传导能力。

双极板（BP）

传质能力是 BP 设计的重要标准，未来的超高功率密度操作需要增强物质传输能力。

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。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。

图4. 未来FCV设备中BP的发展趋势

总体而言，提高功率密度、降低成本和增加 PEMFC 的耐用性将直接促进大规模商业化。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关键方向，新材料的发展有望在长期产生深远影响。

参考文献：

Jiao, K., Xuan, J., Du, Q. et al. Designing the next generation of proton-exchange membrane fuel cells. Nature 595, 361–369 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03482-7

作者简介

焦魁，天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室教授、博士生导师，机械工程学院副院长。主要从事电化学能量转换过程中热物理问题的研究工作。包括燃料电池、整车热管理、余热回收、二次电池等方面。近年来在Progress in Energy and Combustion Science、International Journal of Heat and Mass Transfer、Nature Communications等国际期刊发表文章论文100余篇；申请国家发明专利10余项。主持国家优秀青年基金、英国皇家学会牛顿高级学者基金、国家重点研发计划课题等20余个项目，获霍英东青年教师奖等荣誉。

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