燃料電池核心材料技術(shù)的發(fā)展歷史與展望

大約200年以前就有了燃料電池這個概念了。

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1839年英國科學家William Grove是首先在做電解水的時候，發(fā)現(xiàn)存留在電極上的氫氣和氧氣能發(fā)出電來。正是根據(jù)這樣一種現(xiàn)象，他做出了當時的燃料電池。他的燃料電池采用鉑電極、以及硫酸溶液作為電解質(zhì)所做出來的這樣一個燃料電池。但從他發(fā)明的燃料電池里缺少我們現(xiàn)在需要的關(guān)鍵的材料，一個是電極材料，一個是電解質(zhì)材料，導致這個燃料電池性能并不能滿足現(xiàn)實世界里很多的要求。

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到了1950年左右，美國NASA和GE一起聯(lián)合開發(fā)質(zhì)子交換膜燃料電池。GE的燃料電池里用了兩個核心的材料，一個是固體電解質(zhì)，另外一個是用氣體擴散電極取代了過去的純鉑電極?；诓捎昧诉@兩個材料取代了William Grove的材料以后，才使燃料電池有極大的實際用途。

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但當時GE所采用的材料和今天的材料相比，它還是有很大的差距。它的質(zhì)子交換膜當初用了一種叫‘sulfonated polystyrene（磺化聚苯乙烯）’的質(zhì)子交換膜，它的導質(zhì)子性不是特別高；另外它的水管理特別麻煩，水少了會有裂縫，水多會有水淹；同時，這個膜的壽命比較短。

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1983年，Ballard公司重新開始做質(zhì)子交換膜燃料電池。從1991年到2000年的10年時間，他把燃料電池從5千瓦的小電池一直做到80千瓦燃料電池的系統(tǒng)，這樣一個系統(tǒng)就可以裝在汽車里進行使用，燃料電池在民用行業(yè)又得到了極大的發(fā)展。

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對比Ballard技術(shù)和GE技術(shù)，不一樣的地方就在于電解質(zhì)，即質(zhì)子交換膜材料不一樣。GE用的是sulfonated polystyrene（磺化聚苯乙烯），而Ballard用的是Nafion（全氟磺酸）系列的質(zhì)子交換膜，它的優(yōu)點是電導性很高，同時壽命要比sulfonated polystyrene（磺化聚苯乙烯）的壽命要長很多，另外它對水的敏感度相對比較小。

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所以，材料起到了非常關(guān)鍵的作用。雖然Ballard采用了新的材料了以后，技術(shù)有大幅度的提升，但是仍然還存在一些性能、壽命以及價格的一些問題，需要我們進一步解決。

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所以在后來的發(fā)展里，我們希望通過材料來解決燃料電池一些設計的問題。大家提出來了一個非常理想的燃料電池？我們過去把它叫做高溫燃料電池，希望這個燃料電池能夠操作在大于90℃，或者是在120度的情況下工作。

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為什么我們希望做成一種高溫的燃料電池？一方面，如果提高溫度，反應活性高，那這個燃料電池的性能就提高了，整體電壓就會提高很多。

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另外一方面，現(xiàn)有的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)是用了催化劑等等，它對于燃料里的雜質(zhì)、以及空氣里的雜質(zhì)比較敏感，容易中毒，如果提高溫度，對于這種雜質(zhì)的影響就會減弱很多。

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另外，就是Heat Rejection（熱排放），如果燃料電池操作要保持在70℃-80℃度，對散熱要求高，散熱器就非常大，做乘用車散熱器沒地方裝，但如果能把這個操作的溫度提高到120℃的時候，那對散熱要求就非常低，散熱器就非常小。與此同時，溫度高的時候，余熱可以得到充分的利用，比如說加熱車里環(huán)境。

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這是非常理想的一種燃料電池，但因為找不到合適的材料能使燃料電池操作在這樣一個溫度，導致到現(xiàn)在我們的這個理想仍然沒有達到，所以現(xiàn)有的燃料電池仍然是操作在80℃左右。

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在過去研究的過程里，有一些材料是有很大的希望。

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比如說磷酸摻雜的PBI，這種膜操作可以達到100℃。還有另外一種叫‘Solid Acid（固體酸）’是一種無機物，它在高溫的時候也可以操作，但仍然沒有解決壽命的問題。雖然至今還沒有用到商業(yè)化的燃料電池里，但這些給我們指出了一個方向，未來的發(fā)展還是要去開發(fā)這樣一個材料，一旦有了這種高溫的材料，那燃料電池就會提升另外一個高度。

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我們做了哪些工作呢？

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比如說質(zhì)子交換膜，雖然從90年代到現(xiàn)在我們用的一直都是全氟磺酸質(zhì)子交換膜，但其實做了很多工作，逐步提高膜的性能。比如說在早期的時候，杜邦的Nafion就有‘Acid end group（含羧酸端基）’和‘MW distribution（分子量分布寬）’這樣一些問題，導致膜的壽命就會比較短，后來我們發(fā)現(xiàn)這些問題，解決了這些問題。

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另外膜的一個重要的工藝突破，就是‘Solution Casting（溶液澆鑄）’。早期杜邦的膜是用熱鑄的方法做出來的，后來我們用了Solution Casting（溶液澆鑄）以后，現(xiàn)在可以把膜做到幾個微米都不成問題。

當我們把膜厚度降低了以后，它的機械性能就是一個問題，那怎么辦呢？我們又發(fā)明了Re-enforce membrane（強化膜），增強它的機械性能。在壽命的研究里，我們發(fā)現(xiàn)膜的壽命跟燃料電池里的自由基濃度有一定關(guān)系，所以我們又在膜里添加Radical Scavenger（自由基淬滅劑），讓自由基能夠很快地消失，膜就能有更長的壽命。

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雖然材料是同一種，但是我們在發(fā)展過程里，其實做了很多的工作，讓這個材料逐步改善，這也是導致現(xiàn)在燃料電池性能、壽命能夠進一步提高的一個重要原因。

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另外一種材料就是催化劑。最早的時候Ballard公司用的催化劑載體是unsupported platinum，后來人們就發(fā)現(xiàn)把鉑載在碳上了以后，可以大大降低催化劑的用量。后來我們又做了很多載體的處理，提高載體的壽命等，使得燃料電池的催化劑性能提高了、壽命延長了。

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氣體擴散層這一方面也是有很大的進展，最早我在Ballard的時候，當初要做一個決定，是要用碳布還是要用碳紙，現(xiàn)在我們不為這個問題糾結(jié)了，但在當時大家都沒有決定到底用哪一種。其實碳布性能也不錯，但是因為碳布太軟了，在規(guī)?；a(chǎn)中，工藝很難去操作它，所以到現(xiàn)在基本上用的都是碳紙。

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后來我們發(fā)現(xiàn)碳紙在燃料電池里有水管理的問題，我們現(xiàn)在要做疏水處理，有了疏水處理后，碳紙和催化劑表面連接的地方又不是特別好，因為碳紙表面的平整度不夠，于是我們又加了微孔層，水管理、平整度都有大大的提升。

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正因為我們在材料上有了逐步的提升，也讓燃料電池的技術(shù)得到了極大的提升?，F(xiàn)在，大部分燃料電池設計的壽命都在2萬個小時以上，價格基本上低于每千瓦2000元。之所以今天能夠取得這樣的成就，和材料的發(fā)展是有很大的關(guān)系，所以在未來仍然要在材料這方面繼續(xù)研發(fā)，以提高性能，希望有一天能夠像我們講的理想燃料電池操作在120℃。

圖文來源：通用氫能

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原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦氫科技網(wǎng)）：燃料電池核心材料技術(shù)的發(fā)展歷史與展望