超低铂质子交换膜燃料电池开发

       随着质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs）在全球范围内的商业化，其成本、性能和耐用性等方面的挑战亟待克服。开发超低铂PEMFCs是提高其成本竞争力的关键技术途径。天津大学的焦魁教授等人在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Towards Ultralow Platinum Loading Proton Exchange Membrane Fuel Cells”的综述型文章。文章指出开发超低铂（<0.05g/kW）燃料电池可彻底解决其成本难题，探讨了超低铂燃料电池存在的传质和衰减等关键问题，提出了实现超低铂载量的具体技术路线及关键开发手段。

       目前质子交换膜燃料电池电堆的成本约为 30 $/kW（系统成本为60 $/kW），其中贵金属铂的使用占据了成本的~40%。因此，发展超低铂燃料电池是解决其成本难题的关键。如果铂载量从目前的 ~0.2 g/kW 降低到 0.05 g/kW，燃料电池的成本将降低 ~9 $/kW；如果功率密度从目前的 4.5 kW/L 提升到 9.0 kW/L，燃料电池的成本将降低 ~6 $/kW；此外，其它因素（如更加先进的制造技术）也会降低燃料电池的成本。从而，燃料电池电堆的成本将降低至 15 $/kW（系统成本降低至 30 $/kW）。此时，质子交换膜燃料电池将完全具备成本竞争力。由于铂载量的大幅降低，燃料电池催化层反应面积较少，导致了严重的传质和衰减问题（尤其是催化层部件），这将影响它的功率密度和寿命。

图 PEMFCs电堆成本核算

       文章中针对成本、性能和寿命等问题提出了几个关于超低铂PEMFCs开发的途径，总结如下：

燃料电池催化层包含催化剂/载体颗粒以及包覆在其表面的电解质薄膜，在催化剂周围的局部区域存在着质子、电子、反应气体和水传输现象，高的传质阻力严重降低了催化剂的质量活性。因此，需要合理设计催化层局部结构，从而促进物质传输，提升超低铂燃料电池的性能。催化层局部结构设计包括：新型催化剂构型设计、高透氧的电解质设计、催化剂-电解质界面设计、催化剂载体结构设计。

       传统催化层是通过将催化剂溶液喷涂到质子交换膜或碳纸上的方式制备而成，该催化层具有催化剂颗粒随机堆积而成的多孔结构。虽然，该制备方法成本较低且容易大规模生产，但是这种无序的结构却导致了高的传质阻力和低的催化剂利用率。除此之外，催化层还可通过静电纺丝技术制备而成，形成了一种多层纤维排布结构。该催化层构型较为有序，因此具有高效的传质能力和高的催化剂利用率。另一种有序的催化层构型是柱状阵列结构催化层，该催化层由阵列的催化剂载体或线性催化剂构成，其具有高效的传质能力和高的催化剂利用率。这两种新型有序结构催化层是提升超低铂燃料电池功率密度的关键。

       在超低铂载量下，催化剂数量大幅减少，因此催化剂衰减将引起更加严重的电化学表面积衰减和局部传质阻力提升，从而引发更严重的电势损失。因此，除了不断提升催化剂催化活性之外，加强催化剂稳定性也至关重要。高活性催化剂设计、电解质离子流体掺杂设计、载体表面修饰和催化剂锚定设计、多孔载体设计、以及新型催化层构型设计都将有效抑制超低铂燃料电池的衰减。

       催化层开发涉及到材料开发、结构设计和制备技术开发等多个层面，包括开发高活性、高稳定性催化剂材料、高透氧电解质材料；设计高传质效率、高催化剂利用率催化层结构；开发可控的催化层制备技术。为此，需要掌握催化层的传质机理、衰减机制以及制备中的结构演变机理。紧密结合测试技术、仿真技术和机器学习技术对于催化层开发来说至关重要。未来，为了开发超低铂燃料电池，需要制定一套包括材料开发、结构设计、制备技术设计和测试在内的标准开发流程。

文章来源：https://doi.org/10.1039/D2EE03169H