[01453465]高功率密度长寿命燃料电池低铂膜电极研发及应用

项目属于工程热物理与能源利用科学技术领域。 氢燃料电池汽车已成为解决环境污染、保障能源安全的重大战略举措，膜电极是燃料电池中将化学能直接转换为电能的发电部件，直接决定着电池的性能、寿命和成本；膜电极成本占电堆成本的60-70％。受全球铂储量、开采量限制，高铂载量、高成本膜电极成为燃料电池汽车大规模推广的“卡脖子”难题，低铂化(＜0.4mg_Pt/cm²或0.4g_Pt/kW)是解决上述难题的根本途径。然而，低铂化难以满足车用燃料电池高输出功率、长寿命运行、适应复杂运行工况的应用要求，其根本原因是由于低铂化带来的“大电流密度下局域传质极化加大、高电位铂合金颗粒腐蚀加剧、宽工况氧气和质子传输受限”等严峻技术挑战。项目团队经历近十年研发突破了高功率密度长寿命燃料电池低铂合金膜电极设计、制造技术瓶颈，发明了批量生产的新方法和新工艺。主要发明内容如下： 1、发明了具有超低传质阻力的新型低铂膜电极。提出“类催化层-催化层”双层阴极结构，实现了氧气局域传质过程分离，揭示了吸附控制的“吸附-扩散”局域传质机制及其对低铂膜电极性能的主导作用。发明了微纳结构可控的新型低铂膜电极，实现电堆性能(3.1kW/L、115kW)与丰田“Mirai”燃料电池汽车电堆持平(3.1kW/L、114kW)，而铂用量减少42.8％(0.2vs.0.35mg_Pt/cm²)，单位功率铂用量指标达到国际领先。 2、发明了抗高电位腐蚀铂合金催化剂及其批量制备技术。揭示低铂合金催化剂中铂和过渡金属的“溶解-扩散-沉积”衰减机制，提出了预测的数学物理模型。发明了新型高分散小颗粒碳载铂合金催化剂合成技术，显著缓解了高温下颗粒团聚长大和高电位金属溶解流失问题，基于其制备的低铂膜电极用于大连新源电堆模块实测寿命超过7500小时，突破了美国能源部2020年5000小时(相当于10年车用寿命)的目标值。 3、发明了非均质低铂合金膜电极叠层制备技术。发现水含量主导的氧气、质子传输的高度工况敏感性，构建了低铂合金膜电极中氧气、质子传输模型。揭示了阳离子污染对电极和膜的非对称性影响及对湿度的敏感性，提出应对高功率输出、无增湿条件运行的低铂膜电极设计方案，发明了憎水性梯度分布的非均质膜电极叠层制备技术，用于上汽燃料电池动力系统实现零增湿、95℃高温运行，大大提高了车用复杂工况适应性。 项目获国家发明专利16件，实用新型专利3件，发表论文15篇，开发并建成了国内用于量产燃料电池汽车电堆的首条低铂合金膜电极生产线，与丰田“Mirai”燃料电池汽车铂用量相比，每1000辆车节省铂金属近17千克。作为唯一的低铂膜电极供应商为上汽、神力、新源、郑州宇通等国内主流燃料电池和整车企业提供相应产品，累计制造膜电极20余万片。支持的上汽PROME P390燃料电池动力系统已稳定运行4000小时，预测寿命近10000小时。近三年新增产值70820万元、利润5576万元、税收3795.55万元。 经中国机械工业联合会鉴定，“研发的新型低铂合金膜电极达到车用燃料电池高输出功率、长寿命运行、适应复杂运行工况的应用要求，整体技术达到国际先进水平，单位燃料电池电堆功率的铂用量技术指标国际领先”。