项目目标

1. 有序化低铂催化剂电催化活性是商业铂催化剂的3倍，且耐久性好；
2. 膜电极总铂载含量小于0.15 mg/cm²，3万圈循环测试电压衰减小于30 mV；膜电极输出性能为0.3A/cm²@0.8V、1.0A/cm²@0.7V；
3. SCI收录论文至少5篇，申请发明专利4件，实用新型2件。

项目背景

膜电极是PEMFC的核心部件，是多相物质传输、能量转换和电化学反应的重要场所，很大程度上决定了PEMFC的性能、寿命以及成本。目前膜电极的产业化进程仍然面临着效率过低、成本过高和寿命较短等问题。本项目拟通过研究有序低铂催化剂以及其载体材料的合成条件及结构，将其制备成有序膜电极，通过实现电子、质子、气体反应物和产物水在催化剂层内的高效传导，以减小传质电压损失，提升低铂膜电极在大电流工作条件下的功率密度、提高其稳定性而延长寿命。   

项目特色和创新点

1. 低铂载量催化剂和膜电极。
2. 基于软模板的有序催化剂－铂纳米管阵列和钯-铂核壳结构纳米管阵列的设计、合成及小规模放大量产。
3. 创新的超声喷涂技术用以制备有序化膜电极。

项目成果

1. 有序化催化剂、载体及膜电极的设计和制备

我们以特制的反应器和后处理方法，已经实现了克级（>2.5克）批量的有序化核壳催化剂制备，制备反应流程示意图如图一所示。后处理可以减少催化剂钯用量而降低成本，同时提升催化剂的铂族金属质量活性。后处理的反应条件决定催化剂的钯核大小及铂壳厚度，是本团队的创新点，已申请专利保护。克级批量制备的核壳催化剂经超声喷涂制成膜电极后，与商用铂炭膜电极在相同阴极载量（0.10mgPt/cm2）、同测试条件下相比，铂质量活性达到商业铂催化剂的3倍以上，且经3万圈循环测试后（老化测试），核壳催化剂的衰减率明显低于商业铂催化剂（图二）。核壳催化剂的膜电极功率、耐久性也优于商业铂炭，老化测试后峰值功率密度（氢气/空气）仍可达到1.0W/cm2以上（图三）。

图一、核壳催化剂制备反应流程示意图

图二、催化剂膜电极老化测试前后铂质量活性对比

图三、催化剂膜电极老化测试前后功率性能对比

2. 采用脉冲喷涂技术实现使产品具有较好的的铂载量均一性且形成良好的三相界面。

催化剂层中的裂纹可能导致严重的耐久性问题。由于膜在湿/干循环过程中发生水合物/脱水，不均匀膨胀会导致催化层出现裂纹，最终导致膜上形成孔洞。泰极的先进涂层技术能够生产出无裂纹的催化剂层。

图四、泰极动力和 别的公司制备的膜电极表面形貌比较

脉冲喷涂是由输入的数字脉冲信号控制，调整适当的喷涂间距与速度，三把枪同时运行，在PEM表面形成一个“多层结构”同时可以实现浆料快速干燥。

图五