潘牧教授谈下一代膜电极的发展方向
潘牧教授谈下一代膜电极的发展方向
燃料电池作为清洁能源技术的重要发展方向，其核心组件膜电极的技术进步备受关注。在2024年西安市可再生能源大会氢能分会上，武汉理工大学首席教授潘牧分享了他对下一代膜电极发展的最新见解。
从第一代到第二代：GDE到CCM
在报告中，潘牧教授详细介绍了“低铂、高效燃料电池组件工程化成套制备技术及应用”的获奖情况，并基于美国对燃料电池的远景规划，阐述了对膜电极下一代发展方向的看法。作为该领域的顶尖专家，他的观点对国家相关政策制定具有重要参考价值。
膜电极由质子交换膜、催化层、气体扩散层以及封装材料组成，是燃料电池的“芯片”。据美国能源部（DOE）核算，膜电极的成本占电堆总成本的62%，其性能和寿命直接决定了燃料电池系统的电输出性能和寿命。
在膜电极发展初期，传统膜电极组件通常采用催化层涂覆在气体扩散层表面（GDE）的方式制作，这种制作工艺尽管生产简单，但存在催化层厚度大（≥30um）、铂载量高（≥0.8mg/cm2）以及界面阻抗高等问题，导致功率密度较低（≤0.5W/cm2）。
潘牧教授团队从2000年开始与国际同仁同步展开催化层涂覆在质子交换膜上（CCM）的先进技术研究。2004年，团队获批我国首个“863”CCM膜电极项目《CCM的纳米/微米复合技术研究》。2006年，团队获得系列核心专利，CCM膜电极核心技术开始工程化和产业化。
到2010年，CCM膜电极核心技术成为主流技术路线，带动了我国从传统GDE型膜电极向CCM型膜电极技术的转型升级。通过该技术生产的膜电极，催化层厚度显著降低至10um以下，铂载量也显著降低至0.8mg/cm2，尽管催化剂铂的用量降低了75%，但功率密度却提升了3倍，从0.5W/cm2以下提升至1.5W/cm2以上，充分展现了该技术的发展潜力和先进性。
潘牧教授团队生产的膜电极不仅在国内市场占据重要地位，成为亿华通的第一大供应商，并为东风、一汽、潍柴、格力等大型企业以及多个重要科研机构供应膜电极，还实现了对国际市场的反向输出，产品销往美国、德国、英国、韩国等10多个国家和地区。据统计，团队累计销售膜电极组件224.8万件，其中出口133.3万件，国内市场占有率达55%，产生的综合经济效益累计62.49亿元。
从第二代到第三代：朝向高效率进军
潘牧教授介绍，国家科技部“十三五”重点研发计划膜电极领域存在两个关键指标：膜电极铂用量减少至0.125g·kW-1，放电功率密度达到1.4W·cm-2。他的团队基于Pt/C氧还原动力学计算研究表明，电极厚度为3.05um，阴极最低铂载量为0.122mg·cm-2，阳极最低铂载量为0.05mg·cm-2时，铂用量为0.123kg·kW-1，超薄型Pt/C膜电极理论上可以实现我国科技部的Pt用量目标。但他也指出，降低铂载量只是降低燃料电池初始成本的一种手段，运行成本更是燃料电池全生命周期成本中的绝大部分，因此降低运行成本是扩大运用范围的重要方向。
M2FCT（MillionMileFuelCellTruck）改变了之前的传统思路，不再追求薄膜和超低铂载量，而是开始关注通过提升工作电压降低运行成本并设法提升膜电极寿命。他们使用了更稳定、寿命更长、对氢离子选择传导性更好的但可能更厚的质子交换膜，并将工作温度提升至90℃，工作压力提升至250kPa，预期寿命从5000h大幅提升至25000h，工作电压也从最低值0.6V提升至0.7V，从而提升燃料电池的运行效率，降低使用成本。
潘牧教授指出，期望将燃料电池的工作电压提升至0.8V。2021年，工信部规定燃料电池工作电压应该在0.6V以上，而如果能将燃料电池工作电压从0.6V提升至0.8V，那么百公里氢耗将下降13.8个百分点，即重卡之前百公里运行需要消耗氢气10kg，效率提升后只需要消耗8.62kg氢气，这能够显著降低燃料电池的运行成本。但是燃料电池对外输出电能表现为软特性，即电流增大，电压降低，也可以表述为电压高输出电流低，那么燃料电池的功率密度就会降低。目前我们能做到0.3A/cm2@0.8V的水平，国家在2021年氢能技术重点专项的申报指南中规定的技术水平为0.4A/cm2@0.8V，美国DOE要求的技术水平为0.4A/cm2@0.8V，日本战略布局规划制定的目标为在2030年达到1A/cm2@0.8V的技术指标。燃料电池高电压下的电流密度越高，表明其功率密度越高，性能更好，环境适应性更强，更具备工程实用价值。
潘牧教授前瞻性地谈到当工作电压大幅提升至0.8V后会存在两个问题，第一个问题是由于高电位铂氧化的原因，存在高电位工况下性能稳不住的现象。如下图所示，燃料电池在0.85V的工况下连续运行72h后性能大幅衰减73.12%。
其实不仅燃料电池在高电压下运行会存在效率下降的问题，在低电压工况也会存在该问题。下图为笔者在之前发表的《燃料电池行业需解决的关键问题》一文中引用的清华大学李跃华博士的相关工作，即使燃料电池在0.6V的工况下连续12000s（约3.33h），性能也从0.6V大幅衰减至0.4V，衰减率达到33.3%。如果这是一台需要连续运行的重型长途卡车，那么综合累计运输成本将会显著增加。
[1] 李跃华. 质子交换膜燃料电池阴极压降规律及在故障诊断中的应用. 清华大学2017.
根据潘牧教授的演讲和笔者的理解，随着运行时间的增长，燃料电池的性能下降是涉及到催化剂的基础科学问题，即铂催化剂随着运行时间的不断增长，氧化物在其表面覆盖程度越来越大，造成催化活性减弱，从而性能下降。在该论文中，李跃华博士使用了脉冲排水的方法缓解了燃料电池运行性能衰减的现象。因为水是主要氧化源，催化层铂表面疏水微环境有利于减少氧化物的覆盖度，从而延缓其性能下降的速率，潘牧教授团队也得到了同样的实验现象。
但笔者认为这种控制手段没有从化学的本质机理上根本解决燃料电池性能随运行时间的增长而下降的问题。该问题若能够解决将是燃料电池基础研究的重大突破，将显著促进燃料电池工程化运用的发展，但是非常难，因为如潘牧教授所说，即使是简单铂表面氧化物聚集的描述也似乎存在无穷多种可能。
除此之外，潘牧教授提出了另一个问题，就是高电位下Pt/C电极的腐蚀问题。他表明高电位铂的氧化状态会影响碳的腐蚀速率。在0.8V电位下，含Pt电极初始碳腐蚀速率是纯碳电极的27倍，即使后期达到稳态，含Pt电极的碳腐蚀速率也是纯碳电极的3倍，该问题也是一个非常关键且存在已久的基础科学问题，显著影响燃料电池膜电极的使用寿命。
最后潘牧教授进行了总结：低铂、高效膜电极组件经过多年的研究技术已经比较成熟，燃料电池电堆也已经迈过了高性能的第一代，迈过了低购置成本的第二代，开始朝高效率的第三代进军。对于高效率的第三代，他们的解决方案是提高燃料电池的运行电压（0.8V），因此低铂、薄膜的技术研发不再是当前发展阶段下合适先进的研发方向，我们需要创新电催化过程与电氧化机理，解决Pt抗氧化以及Pt/C腐蚀速率快的关键重难点问题，维持催化剂高电位的性能稳定和寿命稳定，从而促进燃料电池低运行成本、长寿命地大范围推广运用。