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张久俊:车用氢能质子交换膜燃料电池核心技术与科技挑战及对策

   2023-05-04 氢能观察张赢136530
核心提示:4月20日,由世纪新能源网、中国氢能100人论坛主办,氢能观察承办的第三届世纪氢能大会在京隆重召开。加拿大皇家科学院、工程院、工程研究院院士张久俊针对车用动力氢能质子交换膜燃料电池的核心技术和挑战发表主旨演讲。世界各主要发达国家都把发展新能源汽车

4月20日,由世纪新能源网、中国氢能100人论坛主办,氢能观察承办的第三届世纪氢能大会在京隆重召开。


加拿大皇家科学院、工程院、工程研究院院士张久俊针对车用动力氢能质子交换膜燃料电池的核心技术和挑战发表主旨演讲。



世界各主要发达国家都把发展新能源汽车(电动车)作为国家发展战略,发展新能源汽车是实现中国“碳达峰碳中和”双碳目标的重要选项,而新能源动力汽车的核心部件是动力电池 (如锂电池、燃料电池等)。


全球主要经济体都将发展燃料电池上升为国家战略。


张久俊院士为与会嘉宾介绍了氢能质子交换膜燃料电池单电池的运行目标:2 A/cm2下电池电压大于0.65 V;Pt催化剂的ORR质量活性大于现有Pt 催化剂的5倍;膜电极氧气传输速率大于现在膜电极的2倍。


针对质子交换膜燃料电池的技术挑战等问题,张久俊院士指出三点核心:燃料电池动态运行条件下的耐久性不足(电流/电压/温度/压力的波动的影响)(科学技术挑战);燃料电池堆各个部件的高昂价格 (经济挑战);加氢设施的普及程度太低(基础设施挑战)。



质子交换膜燃料电池核心部件——膜电极,是影响其耐久性的重要因素。膜电极重要组成部分——催化剂,是决定质子交换膜燃料电池耐久性的重中之重。张久俊院士强调,催化剂碳支持体在燃料电池长期操作下,尤其是小电流(高槽电压)下会被氧化,降低耐久性甚至失效!


对此,需要研发非碳支持体的Pt基催化剂;优化催化剂与支持体的结构构型及组分,增强催化剂与支持体的相互作用;使用高通量计算及人工智能技术并结合原位测量技术理清催化活性和活性衰减机理之间的构效关系,以研发高活性高耐久性的催化剂。


根据对核壳结构非碳支持体的PtPd催化剂物理化学性能的研究,可以发现,核壳结构负载催化剂的高ORR单位质量活性归功于良好的支撑体/催化剂间相互作用,经过5000圈循环测试,与商业PtC和PtCo/C催化剂相比,核壳结构负载的催化剂表现出更好的耐久性和电化学活性!


此外,对于车用质子交换膜燃料电池电解质膜而言,质子膜、气体扩散层同样影响其效率。张久俊院士总结,燃料电池的耐久性主要是由膜组件的催化剂、膜、气体扩散层所决定,通过基础科学研究和技术的创新是提高催化剂和膜稳定性的必然举措。



 
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