導讀：捷氫科技發布了全新的M4電堆平臺，實現了電堆功率向200kW級以上的跨越。同步推出的燃料電池電堆M4H，峰值體積功率密度5.1 kW/L，壽命達15000h。膜電極是燃料電池電堆的核心部件，是化學能轉化成電能的反應場所，也是電堆中成本占比最高的零部件（60%以上），很大程度上決定了燃料電池電堆的性能、壽命和成本。
捷氫科技同時具備膜電極、電堆、系統設計開發及批量制造能力。膜電極的自主設計開發能力，有力地支持了電堆和系統產品的快速迭代開發。而膜電極量產工藝開發能力和批量制造能力，有效地保障了膜電極穩定供應和持續降本。目前，捷氫科技園區已實現膜電極規模化量產和批量裝堆交付，加速捷氫科技在氫燃料電池領域產業布局。
一、膜電極在性能上有哪些亮點？是如何優化的？
捷氫科技通過建立膜電極關鍵原材料、特征結構與膜電極性能之間構效關系的仿真工具和分析能力，開展膜電極性能設計和優化。基于完善的測試表征體系，實現包括關鍵材料測試評估、結構特征參數表征、膜電極測試表征等過程的膜電極性能開發的反饋。
圖1：MEA關鍵表征技術
捷氫科技高功率燃料電池系統P4H采用高集成度的無外增濕方案，依靠燃料電池電堆M4H和系統自增濕設計，充分利用陰極側氧還原反應生成水，通過陽極氫循環的方式（如圖2所示）使水沿著氫氣循環路流動，基于超薄質子交換膜優異的水反擴散能力和電遷移過程，實現對陰極入口干空氣的加濕，達成膜電極內部的水平衡。
圖2：MEA內部水循環過程
在車用工況下，高功率運行的電堆冷卻液溫度高達95℃，對膜電極提出了極高的耐受要求。展開了針對應用環境系統性設計，包括耐低濕的材料體系選型、膜電極結構設計、高傳質能力催化層開發，實現了在高載荷區的高性能輸出，膜電極的峰值功率密度達到了1.3W/cm2。
圖3：MEA性能數據
二、膜電極的耐久性如何保證？有哪些方法？
捷氫科技建立了材料、單電池、短堆、系統等多維度的耐久性評估體系，基于車用工況條件，推動材料選型、失效機理探究、耐久性開發驗證等工作。同時結合捷氫科技開發的耐久性模型工具，可助力膜電極耐久性設計優化與預測壽命。基于以上技術方法，圍繞材料的選型與耐久設計、低損性制造技術應用、穩定性控制策略的三個方面，提升整體膜電極的壽命。
以質子交換膜為例：為抵抗陰極從不增濕到高電密產水而產生的大幅度干濕交變的苛刻環境，膜電極選用高機械穩定性的質子交換膜保證膜長期穩定性；輔助膜電極內部增強自由基淬滅技術，提升膜電極應對長期化學穩定性的能力。圍繞超薄的質子交換膜應用挑戰，捷氫科技選用低損性雙面直接涂技術制備CCM；優化封裝工序設計，減少高溫、高壓條件出現來降低工序對膜產生潛在損傷的風險。基于質子交換膜穩定性影響控制因素、邊界條件，系統性設計運行控制策略，保障電堆運行的條件長期控制在材料的穩定運行區間內，抑制膜的衰減速度。
圖4：MEA耐久性模型技術
三、實現膜電極量產后，一致性如何？怎么去保證？
膜電極以Roll to Roll生產方式為主制造流貫穿整條產線，匹配高精度制造的控制、檢測技術，保障了批量產品的一致性。關鍵工序CCM的制備采用高精密計量Slot-die雙面直接涂布技術，提升材料利用率和生產效率；通過鉑載量和涂布尺寸的精度控制，有效保障鉑載量和活性面積的一致性；同步匹配高穩定性、高量產和高適配窗口的漿料配方技術，保障了高速制造下的產品品質。
膜電極封裝工序依據結構尺寸公差要求、產能節拍、Roll to Roll制造流需求，設計了柔性走帶與符合精度控制技術，結合產線適應性材料匹配開發，實現各工序中材料之間、材料與工藝之間的適配性，在高線速度和高對位精度要求下，成功解決了柔性材料變形與對位難題。輔助100%的產品缺陷、氣密檢測，保障了膜電極批量產品質量。精益制造的實施為捷氫科技電堆產品在車用工況條件下的高一致性、可靠性提供了堅實基礎。
圖5：電堆中雙節巡檢性能及一致性數據
捷氫科技已實現電堆（包括雙極板和膜電極）、系統零部件的全面國產化，并將持續推進膜電極核心材料質子交換膜、催化劑和氣體擴散層的國產化技術攻關。同時，捷氫科技秉持開放、合作、共贏的態度，推進“產學研”融合，在關鍵技術、材料開發和應用方面開展多種形式的國內外合作，通過與合作伙伴進一步協同創新，共同推動氫能產業健康發展，助力雙碳目標的落地和實現。
來源：汽車燃料電池之家
