项目编号：?? 2102??

燃料电池高效阴极技术发展方向调研

Investigation on the Development Direction of Fuel Cell High Efficiency Cathode Technology

 

项目研制单位：上海交通大学 上海捷氢科技有限公司

主要研制人员：闫晓晖 刘佳? 罗夏爽? 符策煌? 杜云珠? 沈渊亭? 尤佳彬

 

主题词：质子交换膜燃料电池 膜电极? 低铂阴极催化层

1、研究内容介绍

本项目主要针对质子交换膜燃料电池低铂膜电极技术开展项目调研，分别从常规结构的膜电极技术，常规电极结构发展最新进展、未来的发展方向、发展的理论极限，以及新一代电极结构技术三个质子交换膜燃料电池相关章节开展技术调研报告，共形成了超过八万字的技术报告。

常规结构膜电极技术部分，本报告主要针对膜电极中阴极催化剂开发以及优化方向、低铂阴极催化层中重要的局域传质阻力问题和质子传导问题进行了详细的综述，共调研文献145篇，其中近五年(2016-2021年)的文献共71篇，占比超过50%。本章节由质子交换膜燃料电池反应机理阐述开来，从PGM催化剂、非铂催化剂的性能优化工艺，最新催化剂性能评估技术等方面对现阶段国内外质子交换膜燃料电池催化剂的发展进行了详细总结，提出了催化剂制备及测试工艺中目前存在的问题，即：(1)Pt单原子催化剂酸性条件下的耐久性问题；(2)Pt族合金催化剂制备过程的工艺复杂性问题；(3)非铂催化剂在实际单电池测试中的活性与耐久性问题等。报告认为，对于燃料电池下一代催化剂的开发，有序金属间催化剂和非铂复合材料搭载的铂基合金催化剂是最有希望打破燃料电池商业化瓶颈的下一代催化剂，相关研究机构也将主要的精力投入到此二类催化剂开发中。其次，铂基合金催化剂与多面体催化剂也是十分具有开发前景的催化剂。而铂单原子催化剂与非贵金属催化剂距离商业化水平尚远，我们认为其在燃料电池领域尚不具备成熟的技术手段。同时，将目前涌现的一些新型催化剂制备与性能的最新成果总结在下表中：

常规电极结构发展最新进展、未来的发展方向、发展的理论极限部分，本报告主要针对低铂阴极催化层中存在的物质传输问题以及质子电导、电子电导问题进行了机理分析、在线电化学测试方案总结、离线物理化学表征手段总结等全面的描述。共调研文献107篇，其中近五年的文献共57篇，占比超过50%。从微观(催化剂颗粒与树脂界面特征)、介观(催化层内碳载体、树脂团聚物特征)、到宏观(催化层孔隙率特征)，以三个尺度详细分析了阴极催化层的传输特性以及电化学特性，同时通过数值三维重构建模的手段研究了传统膜电极制备工艺水平下阴极催化层的Pt极限利用率。报告认为，对于传统的膜电极制备工艺，低铂载量阴极催化层主要面临：(1)较大的局域传质阻力；(2)反常增大的质子，传输阻力两个问题。我们认为，通过改善膜电极的制备工艺，例如造孔、增加浆料分散强度、更换碳载体直径、改变离聚物载量等方案能够适当提高阴极催化层中Pt的利用率水平，但基于传统的膜电极制备工艺，在低铂载量水平下，阴极催化层中的Pt利用率很难超过70%。同时，将潜在的高性能电极结构技术路线总结在下表中：

新一代电极技术部分，本报告主要概述了目前国内外最先进的新型膜电极制备工艺。共调研文献51篇，其中近五年的文献共37篇，占比超过50%.以载体材料有序化、催化剂有序化、质子导体有序化为例，介绍了有序化膜电极的技术先进性以及优越的性能。然而，受限于加工成本以及有序化形貌耐久性的问题，商业化有序化膜电极除了3M公司的纳米薄膜催化剂外，目前均只停留在实验室研究阶段。此外，我们提出有序化膜电极进一步发展必须关注的四个问题：一、研究气体扩散层、催化层、质子交换膜之间的协同作用和相互关系。二、关注自增湿、冷启动、水管理、高温操作等燃料电池发电系统的辅机功能。三、寻找具有优良质子及电子传导能力的材料，优化制备工艺和流程，为大规模制备提供可能性。四、开发质子和电子共传导的有序化复合纳米材料，扩展膜电极电化学三相反应区，提升电荷运输能力和大电流放电性能。

2、技术创新点

本项目的主要创新点在于，系统性地综述了质子交换膜燃料电池膜电极降低铂载量的各种技术手段，从催化剂设计、传统膜电极制备、新型膜电极结构开发三个层面介绍了其最新发展进展、未来的发展方向以及面临的主要问题。结合文献调研与催化层重构计算模型，本项目对传统膜电极制备工艺构筑的催化层性能水平以及贵金属Pt利用率进行了细致的研究；进一步，本项目针对低铂催化层中主要凸显的局域传质阻力问题和反常的质子电导率削弱问题进行了详细的探讨，从机理性本质对企业提出了研究以及解决传质问题和质子电导问题的相应物理化学表征手段和解决技术方案；本项目还对目前涌现的各种各类新型催化剂制备技术、膜电极先进结构制备技术进行了细致的调研，同时对比得到了从催化剂设计到膜电极制备的多个维度的最适宜下一代燃料电池技术革命的先进技术，便于企业有针对性的进行前瞻性应用布局。

3、成果应用及经济效益预测

本项目系统全面调研了燃料电池高效阴极技术，将有助于企业明确燃料电池的未来研发方向，特别是下一代催化剂与下一代电极技术路线的选择，从而为企业在研发环节节省大量的时间成本，也可规避一定的研发投资风险，节约研究经费。 同时，可以辅助企业在下一代燃料电池的开发上取得先机，将在国际燃料电池行业领跑，从而产生良好的经济效益。