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储能科学与技术

工业化视角全面解读质子交换膜燃料电池催化剂技术发展方向

2020-2-24 12:12| 发布者: admin| 查看: 158| 评论: 0

摘要: 质子交换膜燃料电池的大规模商业化对催化剂成本、活性和耐久性提出了更高的要求。与其他燃料电池关键组件不同,催化剂的稀缺性会导致其成本随着FC产品数量的增加变得更加昂贵。目前正在应用和开发的催化剂主要有Pt/C ...

质子交换膜燃料电池的大规模商业化对催化剂成本、活性和耐久性提出了更高的要求。与其他燃料电池关键组件不同,催化剂的稀缺性会导致其成本随着FC产品数量的增加变得更加昂贵。目前正在应用和开发的催化剂主要有Pt/C、Pt合金、核-壳、形貌控制晶体、纳米框架、非贵金属等催化剂。那么,从工业化角度看,这些催化剂到底能不能走向最后的产业化,面临的挑战又有哪些,该何设计催化剂和催化层呢?

随着质子交换膜燃料电池应用进入众多领域,如备用电源、便携式电源、叉车、公交车和乘用车等,燃料电池各组件(双极板、扩散层、聚合物和膜等)的成本有望通过规模经济得以持续下降。然而,有一种组件伴随燃料电池销量的增长,成本却变得更加昂贵—铂族金属催化剂(PGMs)。美国能源部(DOE)曾指出,催化剂在电堆总成本中的占比会从系统年产量1000套/年下21%提高至50万套/年的45%。

目前,质子交换膜燃料电池阴阳极皆需要铂族贵金属来催化氧化还原反应(阳极氢氧化反应,阴极氧还原反应)。铂族贵金属材料具备商品属性,资源稀缺。因此,在催化剂担载量没有显著降低的情况下,燃料电池的需求增长只会促进催化剂成本上升。由于氧还原反应(ORR)动力学较为缓慢(比氢氧化反应动力学慢约5个数量级),铂族贵金属大部分都使用在阴极侧。

近年来,改进和提升阴极催化剂性能引起高度关注,包括改善催化剂活性、利用率、耐久性和稳定性。虽然未来质子交换膜燃料电池的重点应用场景是乘用车车,但中长期内,便携式电源、备用电源、叉车和公交车等将占据PEMFC较大市场份额。每个市场都有不同的产品(催化剂)要求,因此,燃料电池开发人员不仅需要关注乘用车燃料电池催化剂产品需求,还需紧紧关注其他公交车等其他市场的产品需求,因为这些市场才很大可能是正在开发的下一代催化剂商用化的首秀。

阴极催化剂分类、现状

在过去的近十年内,已开发了多种有潜在应用的阴极ORR催化剂,这些催化剂可大致分为:Pt/C催化剂、Pt合金催化剂、核-壳催化剂、非贵金属催化剂、形貌控制纳米晶体催化剂、纳米框架催化剂。上述均为担载型催化剂(催化剂担载在碳载体或其他纳米材料商)。由于3M公司开发的NSTF催化剂产品已停产,且NSTF催化剂结构独立、无聚合物,不在本次讨论之类。各种催化剂的大致开发和应用进展如下图所示。注意,仅从车用角度看,非贵金属催化剂可能因不符合性能、耐久性、稳定性和功率密度要求,被认为距离商用化应用最远。但非贵金属催化剂已接近便携式电源应用要求。从工业或商用角度看,每种催化剂都有其优缺点。

催化剂开发路线

注意,仅从车用角度看,非贵金属催化剂可能因不符合性能、耐久性、稳定性和功率密度要求,被认为距离商用化应用最远。但非贵金属催化剂已接近便携式电源应用要求。从工业或商用角度看,每种催化剂都有其优缺点。下表总结了每种催化剂的基本优缺点,并将在后文详细论述。

Pt/C催化剂

在过去的十年,商用质子交换膜燃料电池产品严重依赖Pt/C催化剂。在Pt/C催化剂引入初期,因担载型催化剂可实现更小的Pt纳米颗粒,其比无载体Pt黑具有显著优势。催化剂的简单性既有好处也有缺点。从合成角度看,当催化剂设计限于单个元素Pt时,几乎没有空间可以调整催化剂的活性和耐用性。实际上,传统Pt/C催化剂活性和耐久性的进一步提高依赖于催化剂载体的发展进步。载体进步可促进“催化剂-载体”相互作用机制,从而增强铂族贵金属催化剂的活性和耐久性。即便如此,使用传统Pt纳米颗粒不太可能满足长期的质量活性要求。从生产角度看,催化剂体系越简单,越有优势。然而,尽管催化剂合成中仅有Pt一种组分是较为有利,但与铂族金属本身成本相比,大规模生产催化剂的成本是极小的。

Pt合金催化剂

因能够实现高质量活性,同时显示出与Pt/C相似或更好的耐久性,Pt合金(例如PtCo、PtNi)催化剂在工业水平上正成为新的基准催化剂。丰田汽车公司在2014年底发布的第一代Mirai中使用了PtCo合金,突显了Pt合金催化剂的技术成熟性。Pt合金(如PtCo、PtNi、PtFe、PtCr、PtV、PtTi、PtW、PtAl和PtAg)归因于(i)较小的Pt-Pt键长,产生更有利的活性位点,增强了氧气的解离吸附作用;(ii)OHads的结构敏感性抑制作用。在过去的几十年中,对碳载体二元合金或三元合金进行了大量开发工作,这些材料表现出的质量活性是传统Pt/C催化剂的2-3倍。为提高稳定性和耐久性,还需进一步对Pt合金催化剂进行预浸工作以去除基底金属(沉积在碳表面或与Pt合金化较差的金属)。此外,对Pt合金进行酸浸(从富Co/Ni合金开始)或热处理这样的后处理工作可以形成富Pt层,从而提高了稳定性和活性。这些方法在膜电极和电堆级别测试报告中已显示成功有效提高了合金催化剂的耐久性,与Pt/C催化剂耐久性相似或更高。

核-壳催化剂

近年来,在极具前景的核-壳氧还原催化剂上已取得了重大进展。核-壳催化剂概念依赖于使活性ORR催化剂(Pt)仅位于纳米颗粒表面,而另一种金属(最通常为Pd)构成主体内核。从理论上讲,这种独特的设计和概念可以实现尽可能高的Pt利用率,因此从成本角度来看非也常有吸引力(只要可以开发出更便宜的内核金属)。此外,核-壳催化剂的反应速率可以通过改变内核来调整,即改善Pt壳结构和电子效应。这类催化剂的最大潜在优势是:Pt纳米颗粒的高分散性带来的高电化学活性表面积,这种优势明显超出了其成本优势,这对于实现阴极上铂族金属催化剂担载量<0.1 mg/cm2至关重要。

与传统铂族金属催化剂相比,核-壳催化剂除具有更高的活性和电化学比表面积,还表现出电压循环工况中的高耐久性,原因就是“自我修复”机制。众所周知,核-壳催化剂通常壳中具有部分缺陷,并且少量贵金属内核在电压循环期间易溶解。但当这种情况发生时,Pt壳会发生晶格收缩,不仅导致高比活性,而且引起较高的溶出电位,从而降低了整体Pt溶出度。此外,已表明使用Pd-Au合金内核可进一步增强这些催化剂的稳定性,因为Au优先扩散至Pt壳中的任何缺陷处,从而有效防止内核进一步溶解。

在此,必须先对核壳催化剂的电化学活性表面积作简要论述。尽管当仅考虑铂金属时,经常报告核壳催化剂具有极高的电化学活性面积,但真正的电化学活性面积必须考虑催化剂中的所有铂族金属。最有前景的核-壳催化剂的内核通常是Pd,当包含Pd时,可导致电化学活性面积降低约60%。因此,在实际应用中,必须使用少量贵金属内核(铂族金属合金或非铂族金属)。幸运的是,这项工作已经在进行中,在RDE(旋转圆盘电极)阶段取得了令人鼓舞的结果。

形貌控制晶体催化剂

尽管在发展阶段比核-壳催化剂要早,但形貌控制催化剂由于极高的质量活性,是极有前景的一类氧还原催化剂。质量活性取决于比活性和Pt利用率(Pt分散度)。核-壳催化剂强有力例证了“铂利用”的策略以产生高质量活性。相反,形貌控制催化剂主要依赖高比活性来产生高质量活性。理论上,这些催化剂试图重现单晶研究中的理想晶体结构,只是要达到纳米级。

尽管形貌控制晶体催化剂显示出了巨大的前景,但就其商业可行性做出可信的结论还为时过早(对该催化剂系列大多数测试仅限于RDE阶段)。尤其,有两个问题被证明具有很高挑战性:(1)电化学活性面积;(2)耐久性和稳定性。针对电化学活性面积,要想铂族金属催化剂担载量为0.1 mg/cm2在高电流密度下实现高性能(假定聚合物开发没有实质性进展),则需要达到约50 m2/g的电化学活性面积。事实证明,随着粒径减小到<10 nm,难以保持所需的晶面,这使电化学活性面积成为该系列车用催化剂的主要挑战。对于非车用领域(例如便携式电源、备用电源、物料搬运叉车),高电流密度运行并非那么关键和重要。对于这些应用,效率是关键的技术指标,因此通常在较低的电流密度下工作。在此情况下,无需过多关注电化学活性面积>50 m2/g。与传统Pt(或Pt合金)催化剂相比,形貌控制晶体催化剂的更高质量活性可以显著提高PEMFC其他市场领域中产品效率。

据报道,形貌控制催化剂在进行电压循环测试时的稳定性要低于商用Pt/C催化剂。实际上,已经有提出在电压循环工况中形貌控制晶体催化剂仅以"亚稳"状态存在,且不可避免地会发生变化,直到达到热力学上的“圆形”形状。使用核-壳催化剂可能有助于克服这一局限。如相关报告显示,针对PtPd-Ni核-壳八面体催化剂,在剧烈电压循环工况后,活性几乎没有损失。最终这些催化剂将需要进行MEA测试,以正确了解此类催化剂的优缺点。在这方面,通用汽车进行的一些MEA测试已经表明,一些形貌控制晶体催化剂极不稳定,因此还需进一步进行MEA评估测试。

纳米框架催化剂

铂族金属氧还原催化剂的最新家族成员是"纳米框架"。纳米框架催化剂始终显示出比商业Pt/C催化剂超高的质量活性(根据RDE研究结果显示其质量活性比商业Pt/C高20倍)。但这种类型催化剂的最大优点是它们在电压循环过程中具有出色的稳定性和耐久性。纳米框架催化剂的独特结构和设计使其可以受益于铂表面扩展时具有的高活性和稳定性特定,同时由于框架相对较薄(<2-3 nm)仍可获得出色的电化学活性面积(>50 m2/g)。这些催化剂表面通常由高度均匀的晶体构成,这对于耐久性是有利的,因为传统纳米颗粒中的缺陷部位更易溶解。另外,具有这种均匀结构有助于减少传统纳米颗粒观察到的Ostwald熟化过程(大颗粒变大而小颗粒变小)。因此,这些催化剂具有高耐久性(与某些形貌控制晶体催化剂不同)。

尽管在RDE阶段前景广阔,但使用纳米框架催化剂在MEA上的性能却鲜有报道。在RDE研究阶段,由于电解质可以完全渗透这些催化剂,质子向内表面的质量传输并非是个挑战,但聚合物渗透到<20 nm的孔中可能具有挑战。因此,在MEA中,聚合物很难渗透到开口小于20 nm的这些孔径中。此时,在中等电流密度到高电流密度下表现出明显的质子传输阻力,从而导致催化剂利用率不高(在给定的电流密度下,反应物进入Pt表面效率差)。使用纳米框架催化剂进行的先期初步MEA测试数据已显示出在中等电流密度下这些设想的质量传输问题。对于高电流密度工况和汽车应用,纳米框架催化剂可能需要先进的催化剂层设计变更(例如掺入离子液体)以帮助克服质量传输问题。但对于在较低电流密度下运行的PEMFC产品而言,已不再是问题,并且与传统的Pt/C或Pt合金催化剂相比,纳米框架催化剂活性的显著改进将带来有价值的效率提升。

非贵金属催化剂

上述探讨主要围绕美国能源部(DOE)2020年铂族金属催化剂担载量目标值0.125 mg/cm2进行。实现这一目标仍然面临诸多挑战。但正如通用汽车公司指出的那样,在质子交换膜燃料电池车辆能够真正与传统内燃机车辆竞争前,甚至需要更低的0.0625 mg/cm2的担载量。实现这一目标显然是一项重大挑战,突显了面向非贵金属催化剂的发展目标。尽管这些催化剂具有降低成本的极大潜力,但距离满足汽车要求还很遥远。即使如此,非贵金属催化剂中的某些已表现出足够的性能,可以考虑用于某些非汽车应用,例如备用电源、便携式电源等,这些场合对性能、稳定性和耐久性要求比汽车应用低得多。尽管直接成本收益可能不如汽车应用那么大(规模和销量小),但与传统的铂族金属催化剂相比,非贵金属催化剂具有吸引人优势—对杂质污染具有高度的抵抗力。这些将减少电堆和系统的总体成本,并可使PEMFC产品在极端环境下运行,提高环境适应性。在真正实现商业化之前,仍需要对贵金属催化剂的稳定性进行重大改进。

铂族金属催化剂挑战

衡量最新状态

美国能源部燃料电池技术办公室(FCTO)对燃料电池电催化剂所作的技术目标是在结合催化剂和催化剂层的设计要求下提出的。FCTO指出,至2020年车用质子交换膜燃料电池电催化剂的两个取决于催化剂性能的技术指标分别是质量活性(0.44 A/mg)和初始活性损失(<40%损失)。对最新研究进展的搜索和调研显示,催化剂研究人员的在RDE阶段已大大超过了这些技术指标。有关美国能源部车用质子交换膜燃料电池技术指标,请参考『燃料电池干货』公众号推出的2020年降至,美国能源部(DOE)的这些燃料电池技术指标都完成了吗?

这些研究结果看似惊人,但实际上代表了铂族金属催化剂面临的挑战之一,即根据RDE测试结果衡量最新技术。首先,由于RDE测试和MEA测试之间存在显着差异,因此很难RDE测试结果就MEA测试中催化剂的表现得出任何结论。FCTO目标明确,将催化剂技术指标定义在MEA级。实际上,已经反复证明,在RDE级别上测量的质量活性很少或很难可以转化到MEA级的质量活性。其次,即使在有关RDE测试的文献中,测试方法和流程的巨大差异也使得实验室之间的比较也几乎不可能的。诸如“世界最高”或“世界记录”之类的宣传在某种程度上也没有意义,因为这些结果很大程度上取决于如何测量所研究催化剂的真实催化活性。如果必须进行比较,最好将改进情况与商用Pt/C催化剂(而非绝对活性)进行比较,因为这至少有助于对实验室之间的差异进行一定程度的标准化。按照美国国家可再生能源实验室的建议,将来可以实现RDE测试数据的进一步标准化,可作为全球RDE测试的指南。

应当指出,上述说法并不意味着减少RDE使用,RDE的使用确实可以为早期开发阶段筛选出潜在催化剂提供有用的信息。但确实突出了这样一个事实,未来的工作应主要集中在MEA评估上,RDE级别上几乎很难有所作为。

电化学活性面积

尽管目前电化学活性面积这一参数尚未在美国能源部的燃料电池电催化剂技术目标里出现,但显然如果要实现<0.1 mg PGM/cm2的阴极催化剂担载量目标,电化学活性面积也是一个关键参数。具体来说,目前已广泛报道,当EPSA(实际铂表面积/MEA几何表面积)达到<50 cm2 Pt/cm2 MEA时,电流密度>1.5 A/cm2下观察到的性能损失超过传统的巴特勒-沃尔默动力学所预测的损失,这种额外的性能损失是氧气通过覆盖催化剂表面的聚合物膜时传输阻力引起的。随着EPSA降低,每个催化剂颗粒上的局部氧气通量会大大增加,导致传输阻力的局部升高。

EPSA和氧气传输阻力关系

通用汽车公司2016年发表的一篇文章中对此进行了重要讨论,证明了EPSA对氧气传输损失现象的至关重要性,并突出了开发高电化学活性面积催化剂的重要性,如上图所示。具体来说,EPSA是铂族金属催化剂担载量(mg PGM/cm2 MEA)和ECSA(m2/g)的乘积。铂族金属催化剂担载量是美国能源部在成本要求下提出的2020年铂族金属催化剂担载量目标值0.125 mg/cm2。通用汽车公司在研究中设定阳极担载量为0.025 mg/cm2(可实现的最低担载量,在不损失氢氧化动力学性能前提下),阴极铂族金属催化剂担载量则只能为0.1 mg/cm2。在此目标担载量下,上图中的x轴可以直接转换为催化剂电化学活性面积。以下公式给出了一个示例,假设催化剂目标担载量为0.1 mg/cm2时电化学活性面积为50 m2/g。

因此,任何目标担载量为0.1 mg/cm2催化剂必须具有电化学活性面积≥50 m2/g,否则将在高电流密度下遭受高质量传输损失后果。实际上,应将电化学活性面积达到50 m2/g作为生命末期的目标,因为燃料电池运行期间由于电压衰减机制和气体污染物杂质可能导致电化学活性面积损失。显然仅实现高质量活性还不足以满足高电流密度的目标。不过许多正在开发的下一代催化剂已经实现了ECSA>50 m2/g。但是要在使用寿命结束时仍保持这个电化学活性面积,可能是一个挑战(需要进行进一步的MEA测试)。随着汽车制造商朝着越来越低的铂族金属催化剂担载量目标发展,核-壳催化剂概念将可能是关键设计。但最近的研究工作表明,尽管这些催化剂在生命初期表现出色,但对于实际应用的按比例放大的催化剂,仍然需要着重提高耐用性。

量产化

一些先进的铂族金属催化剂的生产规模正在扩大。核-壳催化剂已经提高了规模,可以从N.E. Chemcat购买获得(尽管需要进一步优化规模化过程以实现高耐久性)。形貌控制晶体催化剂,通常在小型反应器中进行合成以产生毫克量的催化剂。仅仅通过使用更大的反应器来扩大合成规模并不可行,因为随着反应器体积的增加,化学浓度和温度梯度变得越来越大。为克服此问题,有研究人员开发了液滴流反应器,该设计可最大程度地减少反应体积(<1 mL/液滴),并且理论上每天允许的产量高达千克。产量达3.5克/天的PtxNi八面体催化剂也已被成功证明可行,并且不受扩大到更多产量的限制。ANL也正在探索液滴流反应器以扩大PtxNi纳米框架催化剂的生产规模。这项工作至关重要,因为在当前制备这些催化剂的规模(微克至毫克)下,进行阴极催化层的设计和创新并不现实。有关阴极催化层设计策略的重要性以及未来方向,将在下文继续讨论。

非贵金属催化剂挑战

车用长期挑战(性能、耐久性和稳定性)

非贵金属催化剂的挑战在很大程度上取决于目标燃料电池产品应用场景。对于车用,性能、耐久性和稳定性仍然面临巨大挑战。此外,由于阴极催化层通常比传统基于铂族金属催化剂的阴极催化层(10μm)厚得多(100μm),传输有关的损失将使获得高电流密度性能变成挑战。由于这些原因,非贵金属催化剂可考虑针对(至少短期内)催化剂要求不高的应用场景,例如备用电源和便携式电源应用。这些应用场景对性能、耐久性和稳定性的要求较低,且工作电流密度也相对较低(<1 A/cm2),这极大缓解了通过这些相对较厚的阴极催化层带来的传输损失问题。

便携式电源/备用电源用长期挑战(稳定性)

事实是始终发现最高活性的非贵金属催化剂稳定性最差。实际上,目前还没有非贵金属催化剂对通用的便携式电源具有足够稳定性(约1000小时,性能损失小于10%)。因此,商用化非贵金属催化剂所面临的最大挑战是提高活性最高的非贵金属催化剂稳定性。为了实现这一具有挑战性的目标,需要共同来研究和理解恒电压和恒电流运行过程中发生的降解(衰减)机理。目前正在进行机理研究,并有望在不久的将来产生更稳定的非贵金属催化剂。

催化层设计策略

针对美国能源部(DOE)对铂族金属催化剂的技术要求,现实与实际对比后发现最大的三个差距是(1)初始催化活性损失(要求<40%,目前可达到66%),(2)铂族金属总含量(阴阳两极)(要求<0.125 g/kW,目前可以达到0.16 g/kW),(3)对应1.5 A/cm2时的性能损失(要求<30 mV,目前可以达到65 mV)。需要注意上述初始活性损失和铂族金属总含量两个指标均为通过使用3M的NSTF而非担载型铂族金属催化剂获得。

初始质量活性损失(差距1)主要是催化剂材料水平决定的特性,不完全需要先进的阴极催化层设计思路。实际上,已经存在一些催化剂已接近商用化。但是,如前所述,仍然需要进行MEA测试以正确验证这些催化剂的耐久性。差距2和差距3是催化剂和催化剂层要求的结合,可以肯定的是需要先进的催化剂层设计概念,因为在相对较高的电流密度下工作的性能要求。图4为一个示例,说明如何使用催化剂层设计策略来克服高电流密度下的挑战。

a)两种催化层设计下商用Pt/C和Pt合金催化剂的极化曲线;b)每种催化层设计在5000次0.6-1.0 V电压循环后的性能损失

将商用Pt合金催化剂与传统Pt/C催化剂进行了比较,结果如上图所示。在低电流密度区域中,Pt合金催化剂表现出比Pt催化剂更高的性能,这是因为Pt合金催化剂相比Pt催化剂具有更高的质量活性。但是,在电流密度≥1.5A/cm2时,Pt合金催化剂显示出明显更高的传输损失。这是一种普遍观察现象,归因于基底金属的溶解导致聚合物中的阳离子污染,引起质子迁移阻力增加和氧气渗透率降低。应当指出,尽管大多数商用化Pt合金催化剂上进行了酸洗,但仍会发生这种传输损失问题。在电压循环工况后,进一步发生了基底金属溶解现象,加剧了传输损失,如上图b所示。通过了解性能下降背后的机理,来自巴拉德的数据表明可以通过重新设计阴极催化层来克服这一挑战(上图a)。重新设计阴极催化层不仅可以在所有电流密度下都保持Pt合金催化剂的性能优势,而且电压循环测试后其耐久性更高,这是在不更改阴极催化层中铂族金属总含量的情况下实现的。总体而言,该结果突出显示了在阴极催化层级别上弥补高电流密度性能和耐久性方面现实和目标差距的巨大机会。

未来展望

通用汽车已经指出,美国能源部2020年车用质子交换膜燃料电池铂族金属催化剂的目标担载量0.125 mg/cm2相当于约11 g 铂族金属/汽车。需要注意,铂族金属/汽车的计算高度依赖于电堆功率、效率点、操作条件、允许衰减速率等。但似乎很明显,要想实现汽车应用中铂族金属含量的降低,就需要催化剂表现出≥0.44 A/mg 铂族金属质量活性。从RDE转到MEA测试时,即使允许质量活性降低一个数量级,某些活性最高的催化剂仍有望超过该目标,同时表现出优异的电压循环耐久性。因此,车用质子交换膜燃料电池的铂族金属含量降低至10 g/辆以下似乎没有物理限制(催化剂水平上)。剩下的大部分挑战将是催化剂规模扩大和阴极催化层设计。

在制定阴极催化层设计策略时,必须考虑催化层设计过程的所有阶段。对于传统的Pt和Pt合金催化剂,存在许多商业化的催化剂浆料混合技术,但是并不意味着这些技术方法同样适用于未来设计开发更复杂的催化剂,因为给Pt和Pt合金催化剂提供高活性和电压循环耐久性的结构可能会使它们更容易受到物理损坏。在催化层级别上,已经探索了催化剂(浓度)梯度,并证明了可以大大提高性能和耐久性。

当前,最重要的研究领域之一是改善聚合物属性以满足电极要求。一般,在质子膜中使用的相同(或非常相似)聚合物也已在电极中使用。如果考虑质子膜的关键指标是低气体渗透性而电极中需要高H2(阳极)或O2(阴极)渗透性时,这不太理想。目前相关的研究工作正在进行,早期工作已证明了对于具有高透氧性的阴极聚合物,膜电极的性能令人振奋。除了可以增加电极中氧气浓度改善性能,对于铂族金属催化剂担载量≤0.125mg/cm2的膜电极在高温下实现高性能也同样至关重要(因有助于减少低铂族金属担载量设计中的氧气传输问题)。

重要的是,非汽车应用场景(便携式电源/备用电源等)可能会在其中一些先进催化剂的商业化过程中发挥重要作用。因为这些市场通常不需要高电流密度性能,而高电流密度性能对于铂族金属催化剂(形貌控制和纳米骨架)和非贵金属催化剂来说,似乎是巨大的潜在挑战。这些先进催化剂所提供的效率和成本优势可以为非汽车市场带来直接好处,且这些实际应用中的数据还将为催化剂研究人员提供有关在实验室外的材料性能的宝贵信息。总体来说,虽然挑战仍然存在于CCL-MEA层面,但考虑到过去几十年来铂族金属催化剂和非贵金属催化剂的进步,我们有理由持乐观态度。通过努力对一些最有前景的催化剂扩大规模,并在催化层水平上进行改进和创新,对于实现汽车和非汽车应用质子交换膜燃料电池广泛商业化似乎也没有催化剂带来的巨大阻碍。

参考文献:Baham D, Ye S. Current Status and Future Development of Catalyst Materials and Catalyst Layers for Proton Exchange Membrane Fuel Cells: An Industrial Perspective[J]. ACS Energy Letters, 2017, 2(3): 629-638.


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