超低鉑質子交換膜燃料電池開發

       隨著質子交換膜燃料電池（Proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs）在全球範圍內的商業化
，其成本、性能和耐用性等方麵的挑戰亟待克服。開發超低鉑PEMFCs是提高其成本競爭力的關鍵技術途徑。天津大學的焦魁教授等人在國際知名期刊Energy & Environmental Science上發表題為“Towards Ultralow Platinum Loading Proton Exchange Membrane Fuel Cells”的綜述型文章。文章指出開發超低鉑（<0.05g/kW）ranliaodianchikechedijiejueqichengbennanti，tantaolechaodiboranliaodianchicunzaidechuanzhiheshuaijiandengguanjianwenti，tichuleshixianchaodibozailiangdejutijishuluxianjiguanjiankaifashouduan。

       目前質子交換膜燃料電池電堆的成本約為 30 $/kW（係統成本為60 $/kW），其中貴金屬鉑的使用占據了成本的~40%。因此，發展超低鉑燃料電池是解決其成本難題的關鍵。如果鉑載量從目前的 ~0.2 g/kW 降低到 0.05 g/kW
，燃料電池的成本將降低 ~9 $/kW；如果功率密度從目前的 4.5 kW/L 提升到 9.0 kW/L，燃料電池的成本將降低 ~6 $/kW；此外
，其它因素（如更加先進的製造技術）也會降低燃料電池的成本。從而，燃料電池電堆的成本將降低至 15 $/kW（係統成本降低至 30 $/kW）。此(ci)時(shi)
，質(zhi)子(zi)交(jiao)換(huan)膜(mo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)將(jiang)完(wan)全(quan)具(ju)備(bei)成(cheng)本(ben)競(jing)爭(zheng)力(li)。由(you)於(yu)鉑(bo)載(zai)量(liang)的(de)大(da)幅(fu)降(jiang)低(di)，燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)催(cui)化(hua)層(ceng)反(fan)應(ying)麵(mian)積(ji)較(jiao)少(shao)，導(dao)致(zhi)了(le)嚴(yan)重(zhong)的(de)傳(chuan)質(zhi)和(he)衰(shuai)減(jian)問(wen)題(ti)（尤其是催化層部件），這將影響它的功率密度和壽命。

圖 PEMFCs電堆成本核算

       文章中針對成本、性能和壽命等問題提出了幾個關於超低鉑PEMFCs開發的途徑，總結如下：

燃料電池催化層包含催化劑/載體顆粒以及包覆在其表麵的電解質薄膜，在催化劑周圍的局部區域存在著質子
、電子、反(fan)應(ying)氣(qi)體(ti)和(he)水(shui)傳(chuan)輸(shu)現(xian)象(xiang)，高(gao)的(de)傳(chuan)質(zhi)阻(zu)力(li)嚴(yan)重(zhong)降(jiang)低(di)了(le)催(cui)化(hua)劑(ji)的(de)質(zhi)量(liang)活(huo)性(xing)。因(yin)此(ci)，需(xu)要(yao)合(he)理(li)設(she)計(ji)催(cui)化(hua)層(ceng)局(ju)部(bu)結(jie)構(gou)，從(cong)而(er)促(cu)進(jin)物(wu)質(zhi)傳(chuan)輸(shu)
，提(ti)升(sheng)超(chao)低(di)鉑(bo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)性(xing)能(neng)。催(cui)化(hua)層(ceng)局(ju)部(bu)結(jie)構(gou)設(she)計(ji)包(bao)括(kuo)：新型催化劑構型設計
、高透氧的電解質設計、催化劑-電解質界麵設計
、催化劑載體結構設計。

       chuantongcuihuacengshitongguojiangcuihuajirongyepentudaozhizijiaohuanmohuotanzhishangdefangshizhibeiercheng，gaicuihuacengjuyoucuihuajikelisuijiduijierchengdeduokongjiegou。suiran，gaizhibeifangfachengbenjiaodiqierongyidaguimoshengchan
，danshizhezhongwuxudejiegouquedaozhilegaodechuanzhizulihedidecuihuajiliyonglv。chucizhiwai，cuihuacenghaiketongguojingdianfangsijishuzhibeiercheng
，xingchengleyizhongduocengxianweipaibujiegou。gaicuihuacenggouxingjiaoweiyouxu，yincijuyougaoxiaodechuanzhinenglihegaodecuihuajiliyonglv。lingyizhongyouxudecuihuacenggouxingshizhuzhuangzhenliejiegoucuihuaceng
，gaicuihuacengyouzhenliedecuihuajizaitihuoxianxingcuihuajigoucheng，qijuyougaoxiaodechuanzhinenglihegaodecuihuajiliyonglv。zheliangzhongxinxingyouxujiegoucuihuacengshitishengchaodiboranliaodianchigonglvmidudeguanjian。

       在zai超chao低di鉑bo載zai量liang下xia，催cui化hua劑ji數shu量liang大da幅fu減jian少shao，因yin此ci催cui化hua劑ji衰shuai減jian將jiang引yin起qi更geng加jia嚴yan重zhong的de電dian化hua學xue表biao麵mian積ji衰shuai減jian和he局ju部bu傳chuan質zhi阻zu力li提ti升sheng，從cong而er引yin發fa更geng嚴yan重zhong的de電dian勢shi損sun失shi。因yin此ci
，除chu了le不bu斷duan提ti升sheng催cui化hua劑ji催cui化hua活huo性xing之zhi外wai，加jia強qiang催cui化hua劑ji穩wen定ding性xing也ye至zhi關guan重zhong要yao。高gao活huo性xing催cui化hua劑ji設she計ji、電解質離子流體摻雜設計、載體表麵修飾和催化劑錨定設計、多孔載體設計
、以及新型催化層構型設計都將有效抑製超低鉑燃料電池的衰減。

       催化層開發涉及到材料開發、結構設計和製備技術開發等多個層麵，包括開發高活性、高穩定性催化劑材料、高透氧電解質材料；設計高傳質效率、高催化劑利用率催化層結構；開發可控的催化層製備技術。為此
，需要掌握催化層的傳質機理

、衰減機製以及製備中的結構演變機理。緊密結合測試技術、仿真技術和機器學習技術對於催化層開發來說至關重要。未來
，為了開發超低鉑燃料電池，需要製定一套包括材料開發
、結構設計
、製備技術設計和測試在內的標準開發流程。

文章來源：https://doi.org/10.1039/D2EE03169H