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【原创】上海交通大学章俊良:低铂膜电极与催化剂的开发与应用
上海交通大学燃料电池研究所 文章来源自:高工氢电网
2021-12-20 11:07:48 阅读:8509
摘要受全球铂储量限制,高铂载量、高成本膜电极成为燃料电池汽车大规模推广‘卡脖子’难题。解决这一难题的根本途径是低铂化。

“受全球铂储量限制,高铂载量、高成本膜电极成为燃料电池汽车大规模推广‘卡脖子’难题。解决这一难题的根本途径是低铂化。”


在2021高工氢电年会上,上海交通大学燃料电池研究所所长章俊良教授发表“低铂燃料电池膜电极与催化剂的开发与应用”的主题演讲如是表示。


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上海交通大学燃料电池研究所成立于1998年,是国内第一家在高校成立的专业燃料电池研究机构。研究领域包括:质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池、锂电池等储能电池;研究范围覆盖相关电化学催化机理、关键材料、电池部件和系统开发。演讲中,章俊良重点介绍了上海交通大学燃料电池研究所在膜电极、催化剂方面的研究。


章俊良表示,膜电极是燃料电池核心部件,以贵金属铂为催化剂,直接决定着电池性能、寿命和成本。受全球铂储量限制,高铂载量、高成本膜电极成为燃料电池汽车大规模推广“卡脖子”难题!该如何解决这一难题?


章俊良指出,低铂化(≤0.2mgPt/cm2或0.2gPt/kW)是解决上述难题的根本途径。


但是,目前实现低铂膜电极仍面临诸多技术挑战。“比如当铂的用量下降到0.1mgPt/cm2以下,它的问题非常多,包括高功率难以实现;长寿命运行不行;复杂工况不能适应;电极里面的离子电阻大幅度增加,导致的是颗粒传阻、质子导电出问题。”章俊良表示。


针对这些问题,上海交通大学燃料电池研究所推出了相应的解决方案,并取得了一些较好的成效:

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比如,该研究所发明了具有超低传质阻力的新型低铂合金膜电极技术。通过实验设计首次定量区分了电极内局域传质和本体传质,从而得以发现低铂膜电极大电流区性能受控于局域传质,揭示了低铂膜电极催化剂表面氧气分子的传输机制;同时,提出通过调控催化剂载体荷电状态,优化三相界面结构,改善局域传质的策略,使新型低铂合金膜电极产品与传统低铂膜电极相比,催化层传质阻力降低约30%-40%,实现1.2A/cm2电池性能提升33%。


该研究所还发明了新型抗腐蚀铂合金催化剂及其批量化制备技术。该研究所发现了合金催化剂“溶解-扩散-沉积”导致过渡金属流失的衰减机制,通过构建低铂膜电极寿命衰减的物理数学模型,提出了单位比表面积活性衰减是抑制寿命的主导因素。


此外,其还发明了憎水性梯度分布的非均质膜电极叠层制备技术。该研究所发现了电极中纳米尺度下质子传导的“限域效应”及金属阳离子污染对其抑制作用,揭示了低湿条件下离子电阻大幅增加原因,为零增湿运行条件高性能膜电极设计提供理论指导。同时,发明了催化层憎水性梯度分布的膜电极结构,实现产物水对膜电极的自增湿,基于超声精密喷涂,突破了非均质低铂合金膜电极叠层批量制备技术,干燥条件性能降低减少50%以上。


演讲中章俊良特别透露,研究所的发明技术已实现产业化应用,建成了国内首条车用燃料电池低铂合金膜电极生产线;同时完成了车用燃料电池低铂合金膜电极微观传质、电荷传递、材料衰减方面的理论突破,形成了高功率密度、长寿命运行、适应复杂工况的低铂合金膜电极批量制备技术,并实现了成果的产业化应用,为我国燃料电池技术跻身世界一流水平发挥了重要作用。


上海交通大学燃料电池研究所孵化出的公司唐锋能源科技有限公司,成立于2017年,专业从事氢燃料电池膜电极设计、开发、生产销售的高新技术企业。公司现在有三个基地:上海紫竹研发基地专门做研发;上海临港制造中心主要做工艺验证;浙江湖州制造中心,主要负责量产交付。唐锋能源科技有限公司的发展使命是坚持科技创新、推动燃料电池产业化。



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