天津大学等研究单位探讨质子交换膜燃料电池商业化挑战与未来发展方向

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    完成的单位：天津大学国家燃烧发动机燃烧的国家主要实验室，上海Jie   Co.，Ltd。

    纸doi：

    质子交换膜燃料电池被认为是将来最有前途的功率设备之一。它可以将氢和氧的化学能直接转化为电能，并具有零污染，高功率密度，低工作温度和快速反应的优势。它被广泛用于汽车，潜艇，无人机，航空航天和其他领域。但是，质子交换膜燃料电池的大规模商业应用仍受到其性能，成本和寿命问题的限制。将来，为了实现大规模的商业化，质子交换膜燃料电池的功率密度，成本和寿命应分别达到9 kW/l和8000 h（以乘用车为例）。

    本文首先分析了质子交换膜燃料电池的成本（图1）。质子交换膜燃料电池堆栈的当前成本约为30 $/kW（系统成本为60 $/kW），其中贵金属铂的使用量约为成本的40％。因此，超低铂燃料电池的发展是解决其成本问题的关键。如果铂负载从当前〜0.2 g/kW减少到0.05 g/kW，则燃料电池的成本将减少〜9 $/kW；如果功率密度从当前的4.5 kW/L增加到9.0 kW/L，则燃料电池将减少〜9 $/kW/l；费用将减少约6 $/kW；此外，其他因素（例如更先进的制造技术）还将降低燃料电池的成本。因此，燃料电池堆栈的成本将减少到15 $/kW（系统成本将降低至30 $/kW）。目前，质子交换膜燃料电池将完全具有成本竞争力。

    图1质子交换膜燃料电池成本的分析

    由于铂负荷的显着减少，燃料电池的催化层的反应区域很小，导致严重的传质和衰减问题（尤其是催化层成分），这将影响其功率密度和寿命。基于此，本文讨论了提高超低铂燃料电池功率密度和寿命的特定技术途径和关键开发方法。

    超低铂燃料电池

    特定的技术路线和关键发展意味着

    催化层的局部结构设计

    燃料电池催化层包含催化剂/支撑颗粒和涂在其表面上的电解质膜。质子，电子，反应气体和水传输现象存在于催化剂周围的当地。高质量转移电阻会严重降低催化剂的质量活性。 。因此，有必要合理地设计催化层的局部结构（图2），以促进材料的传播并改善超低铂燃料电池的性能。催化层的局部结构设计包括：新的催化剂构型设计（例如纳米线，核心壳结构等），高氧气渗透性电解质设计（例如短侧链设计，主链环设计，主链环结构组设计等。 ），催化剂 - 电解质界面设计（例如添加离子流体，增强局部电场强度，采用分子遮罩策略等），催化剂支持结构设计（例如多孔碳支持，碳支撑表面修饰等）

    图2。催化层的局部结构设计

    催化层的整体配置设计

    通过将催化剂溶液喷到质子交换膜或碳纸上来制备常规的催化层。催化层具有由催化剂颗粒随机积累形成的多孔结构（图3）。尽管制备方法的成本较低且易于大规模生产，但这种无序结构导致质量转移较高的耐药性和低催化剂的利用。另外，还可以通过静电纺丝技术来制备催化层以形成多层纤维布置结构（图3）。该催化层具有相对有序的构型，因此它具有较高的传质能力和高催化剂利用率。另一种有序的催化层构型是柱状阵列结构催化层，该结构由催化剂支撑或线性催化剂组成（图3），该层具有高效的传质能力和高催化剂的利用率。这两个新的有序结构催化层（纤维排列构型和柱状阵列配置）是提高超低铂燃料电池的功率密度的关键。

    图3催化层的整体配置设计

    高耐用性催化层设计

    在超低铂载荷下，催化剂的数量大大减少，因此催化剂衰减会导致更严重的电化学表面积衰减和局部传质耐药性增加，从而造成更严重的潜在损失。因此，除了不断改善催化剂催化活性外，这对于增强催化剂稳定性也至关重要。高度活跃的催化剂设计（例如核心壳结构催化剂，高度有序的合金催化剂，纳米线催化剂，掺杂三分属的合金催化剂等），电解质离子液掺杂设计，支撑表面修饰和催化剂锚固设计，多孔支撑设计，多孔支撑设计设计新的催化层配置（光纤布置配置和柱状阵列配置）设计（图4）将有效抑制超低铂燃料燃料电池的衰减。

    图4高耐用性催化层设计

    催化层开发方法

    催化层的开发涉及多个层次，例如材料开发，结构设计和制备技术的开发，包括高活动性，高稳定性催化剂材料和高氧气渗透性电解质材料；具有高传质效率和高催化剂利用的催化层结构的设计；开发可控的催化层制备技术。为此，我们需要掌握催化层的传质机制，衰减机制以及制备中的结构演化机制。目前，尽管催化层具有纳米级特征，但仍可以使用先进的实验技术（例如TEM，Nano-CT，NR等）来探索催化层的结构和传输特性（图5），将来将结合多个高级产品。解决的实验技术非常关键。此外，模拟技术（例如DFT，MD，LB）也经常用于分析催化层的结构特性和运输特性（图5）。鉴于催化层开发的复杂性，数据驱动的机器学习也将发挥重要作用（图5），可用于指导材料筛选，结构设计和制备过程参数参数优化；同时，它也可以用于协助多尺度模拟模型。建立，从而探索催化层内的多尺度运输过程。因此，测试技术，仿真技术和机器学习技术的密切组合对于催化层开发至关重要。将来，为了开发超低铂燃料电池，我们需要制定一个标准开发过程，包括材料开发，结构设计，制备技术设计和测试。

    图5催化层开发过程和开发方法