《科学通报》
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质子交换膜燃料电池超低铂化过程中的物质传输
2022-07-26 23:56:00上海交通大学章俊良教授课题组总结了近年来质子交换膜燃料电池超低Pt膜电极中关于氧气和质子传输的关键成果，在《科学通报》发表封面评述文章“质子交换膜燃料电池超低铂化过程中物质传输的分析与展望”，详细分析了Pt载量不断降低时，阴极催化层内的氧气体相、局域传输和质子传导规律及其对电池性能的影响，并针对其作用机制提出了具有科学性和可行性的优化策略，可为燃料电池的大规模应用奠定基础。
居高不下的成本已成为车用质子交换膜燃料电池商业化的最大阻碍。其中，用于阴极氧还原反应的Pt基贵金属催化剂的成本占比最高，降低Pt用量是控制燃料电池成本的关键。
低Pt膜电极阴极氧气传质动力学
阴极氧气传质阻力包括流道内的氧气传质阻力、气体扩散层内的氧气传质阻力和催化层氧气传质阻力。
催化层氧气传质阻力可以进一步分为体相氧气传质阻力和局域氧气传质阻力。然而，由于催化层结构复杂，氧气传质与氧还原反应耦合叠加，难以量化区分两种传质阻力。
催化层氧气传质
（a）氧气在阴极各关键部件中的浓度分布；（b）催化层结构示意图及两类传质阻力
本课题组结合极限电流法与双层阴极结构设计，首次实现了体相氧气传质阻力和局域氧气传质阻力的原位实验测量，同时发现，低Pt膜电极中，局域氧气传质阻力占主导地位。
局域氧气传质可以被分为3个步骤：氧气在离子树脂表面的吸附、在离子树脂内部的扩散和在Pt表面的吸附。本课题组实验发现，氧气在离子树脂表面的吸附为近对数吸附而非亨利吸附，首次提出吸附控制的“吸附扩散”模型，用以描述局域氧气传质过程。
局域氧气传质
（a, b）局域传质示意图；（c）离子树脂薄膜中的氧气浓度变化示意图
体相氧气传质阻力主要来源于氧气在催化层纳米孔道内的扩散阻力，不仅受到催化层孔隙率的影响，更受到孔径分布、孔道粗糙度、分形维数等孔隙结构参数的影响，需要引入有效孔隙率的概念对其进行描述。
低Pt膜电极阴极质子传导特性
催化层内的质子传导机理包括“Grotthuss跃迁”和“车载”机制。
催化层内的质子传导速率主要受到超薄离子树脂薄膜厚度、温度、离子树脂当量质量、溶剂配比、金属离子污染等多种因素的影响。
催化层内的质子传导依赖超薄离子树脂。离子树脂薄膜的厚度限制了质子传导率，不仅降低了电荷载流子浓度，更重要的是影响了电荷载流子的迁移率，这与传统的厚膜在机理上有着本质区别。
总结与展望
质子交换膜燃料电池正朝着产业应用迅猛发展，膜电极低Pt化是必须迈出的重要一步，而低Pt化带来的膜电极中的一系列关键问题需要科学的理解和理性的应对。
低Pt化带来更加明显的阴极氧气传质阻力，会明显降低大电流区的电池性能。同时，低Pt化导致的催化层传质阻力也会加速催化剂的衰减，其后果是多方面的，需要协同应对。
催化层内的质子传导依赖超薄离子树脂，其厚度限制了质子传导率，未来的研究可以从离子树脂的化学组成、微观形貌、分散状态等多角度进行研究和改进，并分析其“构-效”机理。
课题组简介
上海交通大学章俊良教授团队围绕新型催化剂设计与制备、低Pt高性能膜电极开发开展了长期研究工作，实现了低Pt膜电极微纳尺度传质、材料与衰减等方面的理论创新，突破了高功率密度长寿命低铂膜电极设计技术瓶颈。
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