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）燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)可(ke)徹(che)底(di)解(jie)決(jue)其(qi)成(cheng)本(ben)難(nan)題(ti)，探(tan)討(tao)了(le)超(chao)低(di)鉑(bo)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)存(cun)在(zai)的(de)傳(chuan)質(zhi)和(he)衰(shuai)減(jian)等(deng)關(guan)鍵(jian)問(wen)題(ti)，提(ti)出(chu)了(le)實(shi)現(xian)超(chao)低(di)鉑(bo)載(zai)量(liang)的(de)具(ju)體(ti)技(ji)術(shu)路(lu)線(xian)及(ji)關(guan)鍵(jian)開(kai)發(fa)手(shou)段(duan)。

       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。

       傳chuan統tong催cui化hua層ceng是shi通tong過guo將jiang催cui化hua劑ji溶rong液ye噴pen塗tu到dao質zhi子zi交jiao換huan膜mo或huo碳tan紙zhi上shang的de方fang式shi製zhi備bei而er成cheng
，該gai催cui化hua層ceng具ju有you催cui化hua劑ji顆ke粒li隨sui機ji堆dui積ji而er成cheng的de多duo孔kong結jie構gou。雖sui然ran
，該gai製zhi備bei方fang法fa成cheng本ben較jiao低di且qie容rong易yi大da規gui模mo生sheng產chan
，但dan是shi這zhe種zhong無wu序xu的de結jie構gou卻que導dao致zhi了le高gao的de傳chuan質zhi阻zu力li和he低di的de催cui化hua劑ji利li用yong率lv。除chu此ci之zhi外wai，催cui化hua層ceng還hai可ke通tong過guo靜jing電dian紡fang絲si技ji術shu製zhi備bei而er成cheng

，形xing成cheng了le一yi種zhong多duo層ceng纖xian維wei排pai布bu結jie構gou。該gai催cui化hua層ceng構gou型xing較jiao為wei有you序xu，因yin此ci具ju有you高gao效xiao的de傳chuan質zhi能neng力li和he高gao的de催cui化hua劑ji利li用yong率lv。另ling一yi種zhong有you序xu的de催cui化hua層ceng構gou型xing是shi柱zhu狀zhuang陣zhen列lie結jie構gou催cui化hua層ceng
，該gai催cui化hua層ceng由you陣zhen列lie的de催cui化hua劑ji載zai體ti或huo線xian性xing催cui化hua劑ji構gou成cheng

，其qi具ju有you高gao效xiao的de傳chuan質zhi能neng力li和he高gao的de催cui化hua劑ji利li用yong率lv。這zhe兩liang種zhong新xin型xing有you序xu結jie構gou催cui化hua層ceng是shi提ti升sheng超chao低di鉑bo燃ran料liao電dian池chi功gong率lv密mi度du的de關guan鍵jian。

       zaichaodibozailiangxia，cuihuajishuliangdafujianshao，yincicuihuajishuaijianjiangyinqigengjiayanzhongdedianhuaxuebiaomianjishuaijianhejubuchuanzhizulitisheng，congeryinfagengyanzhongdedianshisunshi。yinci
，chulebuduantishengcuihuajicuihuahuoxingzhiwai，jiaqiangcuihuajiwendingxingyezhiguanzhongyao。gaohuoxingcuihuajisheji、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