寿命延长1.7倍！最新研究 利用抗疲劳电解质膜，提高燃料电池耐用性

瞻观前沿

应对环境挑战的一种新方法是开发强大的氢燃料电池并将其商业化。这些电池包含聚合物电解质膜，充当电极(使电流能够流过物质的导体)之间的屏障。当车辆加速或减速时，燃料电池的运行不一致，导致产水量变化并导致膜膨胀和收缩。随着时间的推移，重复变形会导致裂纹的形成，加速氢通过膜的意外传输，最终导致运行故障。用于解决这些裂纹的一些方法包括自由基清除剂和碳氢化合物电解质膜。然而，虽然这些方法提供了一些防御，但它们不能完全阻止这些裂纹的形成和传播。

现在，在《先进材料》杂志上发表的一项最新研究中，由仁川国立大学的 Sang Moon Kim 副教授和哈佛大学的 Zhugang Suo 教授领导的研究小组开发出了一种耐疲劳的聚合物电解质膜。Kim博士表示，为了确保燃料电池长期稳定运行，有必要开发一种具有高抗重复疲劳失效能力的电解质膜，以反映燃料电池的实际运行环境和退化过程。在我们的研究中，我们利用互穿网络来有意分散重复性压力。

在这项研究中，研究人员创建了一类抗疲劳电解质膜，由 Nafion 和全氟聚醚 (PFP​​E) 的互穿网络组成。Nafion 是一种常用的塑料电解质，具有质子传导特性，而 PFPE 则形成耐用的橡胶状聚合物网络。橡胶的加入会略微降低电化学性能，但会显着提高疲劳阈值和使用寿命。与原来的Nafion相比，这种Nafion-PFPE膜将疲劳阈值提高了175%，并将燃料电池的寿命延长了1.7倍。此外，未改性的 Nafion 膜的使用寿命为 242 小时，而复合膜的使用寿命为410小时。这些结果共同表明，加入橡胶网络会适度降低电化学性能，但会显着提高抗疲劳性和整体寿命。

这项研究在不同的应用中具有相当大的意义。引入具有稳定性、耐用性和性能的燃料电池系统有可能为各行业的创新铺平道路。除了燃料电池汽车领域之外，它还可以影响无人机、个人飞行器、备用电源、叉车、自行车、踏板车等先进技术的发展。

图片来源：摄图网

技术价值观察

燃料电池产业链主要由上游氢气供应及零部件、中游集成以及下游应用端组成，产业链较长，参与方众多。具体来看，上游主要是氢气的制备、储运、加注以及膜电极、双极板、燃料电池BOP等零部件生产制造行业;中游为燃料电池系统集成行业;下游各大应用领域包含交通运输中的乘用车、商用车，固定发电中的家用或者电站用发电机及便携式电源等。

研究发出了一种耐疲劳的聚合物电解质膜，会显着提高燃料电池的疲劳阈值和使用寿命。因此从燃料电池产业链上看，该技术处于产业链的上游环节。

宏观市场观察

——全球燃料电池装机规模持续上涨

21世纪以来，全球变暖和环境污染问题受到了国际的重视，各国家和地区都提出了减排目标。燃料电池产业迎来导入期阶段，即将进入高速发展期。

根据E4tech发布的数据，2012-2021年全球燃料电池装机量持续上升，从2012年的167MW增长到2021年的2313.1MW，年复合增长率为33.92%。初步统计，2022年全球燃料电池装机量超3000 MW。

——日本燃料电池技术实力较强

根据Incopat披露的数据，截止2023年11月，中日韩美专利数量均位列全球TOP5;其中，日本以111847项位列全球第一，中国和美国分别位列第二、第三，专利数量均超50000项。

——燃料电池技术分析 电堆技术是核心

为实现燃料电池长寿命、低成本、可靠性和高性能的目标，燃料电池系统需要一系列核心技术支撑，燃料电池技术体系包括了电堆技术、系统设计及集成、批量制造以及系统测试等多方面。其中，电堆技术是燃料电池的技术核心，电堆的主要组成部分是膜电极和双极板，膜电极主要由催化层、质子交换膜和气体扩散层组成。

——2022年中国燃料电池装机量大幅上涨

2010-2022年，中国燃料电池装机量总体呈上升趋势。根据GGII披露的数据，2022年，中国燃料电池装机量为506.9MW，同比上涨162.8%。

——2022年市场规模超24亿元

根据E4tech与GGII披露的中国燃料电池装机量数据和Frost&Sullivan披露的中国燃料电池系统价格数据测算中国燃料电池行业市场规模，可得到2022年中国燃料电池市场规模约为24.3亿元，2017-2022年中国燃料电池市场规模的年复合增长率约为27%。

——燃料电池技术发展目标分析：降本是关键点

根据《节能与新能源技术路线图2.0》，2035年前我国车用燃料电池要分阶段突破的技术难点主要集中在燃料电池电堆、催化剂、质子交换膜、膜电极、双极板等关键零部件上，其中燃料电池电堆降本是我国燃料电池技术发展的关键目标之一。

——2029年市场规模或超150亿元

2017-2022年，我国燃料电池市场规模复合年增长率约为28%，其间还有疫情的影响。综合我国未来燃料电池行业的发展规划，预计我国燃料电池行业市场规模将不断攀升。2024-2029年，预计我国燃料电池行业保持30%的复合年增长率，到2028年市场规模或超150亿元。

中国燃料电池技术赛道热力图

根据产业热力图显示，目前燃料电池关键技术强相关的城市集群主要集中在粤港澳大湾区，尤其是深圳市成为重点发展区域。这些城市群已投入大量政策、资金、环境和人才资源用于燃料电池，成为潜在的燃料电池技术发展中心。根据热力图的分布，广东省深圳市有极大的可能性成为燃料电池技术的先导区域。重点关注广东省深圳市福田区、龙华区、宝安区以及坪山区等地的相关企业，以及这些地方对燃料电池产业发展的投资环境和潜力市场。

经济学人APP资讯组

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标签： 燃料电池 电解质 技术 随笔