天津大學團隊為氫燃料電池降本增效

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（通訊員 劉曉艷 記者 陳欣然）在氫燃料電池中，傳統(tǒng)電極通常由催化劑顆粒隨機堆疊而成。這種電極有著明顯缺陷——質(zhì)量傳輸阻力較大，催化劑利用率較低。日前，天津大學焦魁教授團隊基于靜電紡絲技術(shù)研發(fā)出一款新型電極，通過靜電紡絲使催化劑顆粒像蠶吐出絲一樣串成線，再層層紡成新型電極，該新型電極具有高比表面積、高孔隙率和大孔徑等特點。這一成果的相關(guān)論文在《科學通報》（Science Bulletin）上發(fā)表。

氫能因其高能量密度而被認為是一種極具前景的清潔能源，引起了全球的廣泛關(guān)注。在氫能技術(shù)中，質(zhì)子交換膜燃料電池以其高功率密度、零排放和快速響應等優(yōu)勢脫穎而出，其能夠?qū)淠芨咝мD(zhuǎn)化為電能，已廣泛應用于交通運輸、固定式發(fā)電和便攜式電源等領(lǐng)域。

“理想的燃料電池電極結(jié)構(gòu)應具備良好的三相反應界面，能夠促進電池內(nèi)部的氣體擴散與液態(tài)水管理。”焦魁教授介紹，相比傳統(tǒng)顆粒堆疊電極，該新型電極具有梯度孔隙率、更大的孔和更低的迂曲度，可明顯改善低鉑燃料電池的電化學性能、提高其耐久性。

論文的第一作者天津大學英才副教授樊林浩介紹，相對較高的成本是燃料電池大規(guī)模商業(yè)化的主要障礙之一。氫燃料電池目前使用貴金屬鉑，減少鉑用量的同時提高其性能和耐久性，對于降低燃料電池成本至關(guān)重要。“新型電極結(jié)構(gòu)要能夠同時實現(xiàn)鉑用量的減少與耐久性的提高，這對于推動燃料電池的商業(yè)化非常重要。”據(jù)悉，這種新型電極結(jié)構(gòu)顯著提升了鉑利用率和物質(zhì)傳輸效率，并有效抑制了鉑的溶解、沉積和離子擴散，可使鉑載量由現(xiàn)在商用產(chǎn)品的0.2克/千瓦左右降到0.1克/千瓦，且表現(xiàn)出更為優(yōu)異的耐久性。

據(jù)了解，焦魁教授團隊2021年在《自然》（Nature）上曾發(fā)表關(guān)于氫燃料電池的綜述長文，其中也展望了未來燃料電池膜電極的設(shè)計路線。本工作所設(shè)計的新型納米纖維電極同時實現(xiàn)了鉑用量的減少與耐久性的提高，這一進展有可能改變?nèi)剂想姵胤磻姌O的設(shè)計，有利于突破質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化的成本和耐久性瓶頸。此外，該新型納米纖維電極不僅能夠應用于燃料電池，在其他電化學裝置，比如水電解槽、二氧化碳還原電解槽等領(lǐng)域，也具備一定的適用性。

作者：劉曉艷 陳欣然