郑云教授、颜蔚研究员、张久俊院士， Nano energy观点：高温质子交换膜燃料电池从催化剂到膜电极组件的性能提升

第一作者：许陈晖

通讯作者：郑云*，颜蔚*，张久俊*

单位：福州大学材料科学与工程学院、新能源材料与工程研究院

高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）凭借其显著的反应动力学优势、优异的燃料/气体杂质耐受性以及简化的水热管理系统，展现出广阔的应用前景。然而，当前催化剂体系及膜电极组件（MEAs）在性能表现与耐久性方面的不足，严重制约了HT-PEMFC的实际规模化应用。为推进该领域的突破性发展，本文系统梳理了催化剂与MEAs的最新研究进展，深入解析催化剂的降解机制并提出针对性缓解策略，致力于为开发高性能、长寿命HT-PEMFC提供理论指导。同时，通过全面剖析现有技术瓶颈，进一步指明未来研究的关键方向。

基于此，来自福州大学郑云教授、颜蔚研究员和张久俊院士课题组在能源材料的重要期刊Nano energy上发表题为“Performance enhancement from catalysts to membrane electrode assemblies for high temperature proton exchange membrane fuel cells”的观点文章。该观点文章分析了现阶段高温燃料电池（催化剂、膜电极组件）之间衰退失效机制以及相应的缓解策略（图1），并提出的该领域当前面临的关键挑战和发展前景（图2）。

图1. 高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）文章主要结构。

图2. 高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）方面的关键挑战与发展前景。

HT-PEMFC在长期运行过程中，由于温度、电压、湿度和外界条件的波动，往往不可避免地导致碳腐蚀和催化剂溶出。因此，有必要研究HT-PEMFC催化剂的衰退机理。为了分析上述现象，将从贵金属催化剂溶出的动力学和热力学角度展开论述分析；非贵催化剂以M-N-C催化剂角度分析其衰退机制。

要点二：增强HT-PEMFC中催化剂稳定性

针对上述碳腐蚀问题，提出石墨化增强碳基底和采用稳定的碳基底材料如碳纳米管，或者采用非碳载体SiC-TiC提升催化剂的稳定性。对于催化剂的溶出问题，可以采用有序化合金、调节配位中心原子抵抗溶出，提升催化剂的稳定性。

要点三：增强HT-PEMFC中MEA稳定性

MEA主要由质子交换膜（PEM）、催化层（CL）、气体扩散层（GDL）组成。其面临的主要问题有PEM机械性能和磷酸（PA）渗出到催化层，一方面降低其质子导电率，另外一方面毒害贵金属催化剂。因此，为了克服这一问题，总结了化学改性、交联和共混三种方法，提高PA的掺杂水平和机械稳定性。此外，还可以通过改变粘结剂种类，喷涂工艺，添加剂等提升PEM和CL的相互作用。最后，优化HT-PEMFC的操作条件，主要考虑试验条件和启动周期两个关键外部因素，这是一种提高MEA稳定性的可行和实用的方法。

要点四：前瞻

1.采用先进的表征技术与计算模拟相结合，深入了解HT-PEMFC中PEM的降解机制；2.除了传统的PFSA、SHP和PBI膜外，应探索新型膜材料，特别是具有优越性能的酸碱复合膜。3.结合原位/operando同步x射线吸收光、原位/operando TEM和SEM，先进的计算技术，进一步了解高温条件下基于PGM和无PGM的体系的降解机理和材料行为；4.除了优化目前研究的碳基支架外，创新的非碳基底，如金属碳化物、金属氮化物和金属硼化物，显示出完全缓解HT-PEMFC中碳腐蚀挑战的巨大潜力。5.开发具有优异抗氧化性能的微孔碳层，优化其组成，提高其机械、热、化学稳定性；6.针对碳纸层/微孔碳层/催化剂层界面，提出了多维HT-PEMFC CFD模型、三维稳态模型、一维非等温模型、准二维数值模型、孔隙尺度模型等质量输运模型，进一步缓解PA损失问题，提高使用寿命，重点优化电流/电压分布和气/水输运机制；7.结合高通量计算方法、人工智能技术和原位观察技术，阐明碳纸/微孔碳/CLs的构效关系及其降解机理，为设计高耐用的碳纸/微孔碳层提供依据。

Performance enhancement from catalysts to membrane electrode assemblies for high-temperature proton exchange membrane fuel cells

郑云教授简介：教授，博士生导师，入选国家引进人才专项计划，福建省引才“百人计划”、福建省“闽江学者”特聘教授，2024威立中国开放科学高贡献作者（Wiley），2024全球前2%顶尖科学家（Elsevier/Stanford）。目前就职于福州大学材料科学与工程学院、新能源材料与工程研究院（张久俊院士团队），担任新能源材料与工程研究院党支部书记。博士毕业于清华大学核能与新能源技术研究院，随后加入加拿大滑铁卢大学从事博士后研究（合作导师：陈忠伟院士），2023年正式入职福州大学。郑云教授长期从事固态电化学能源材料方面的工作，重点涉及柔性复合固态电解质及锂金属电池的研发。目前共发表科研论文80多篇，其中以第一作者或通讯作者在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Joule, PNAS, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy等期刊上发表论文40多篇，撰写Electrochemical energy storge and conversion系列丛书 “Carbon dioxide reduction through advanced conversion and utilization technologies (CRC Press)”等学术专著2本，申请/授权专利16项，主持/参与国家级科研项目多项。担任国际电化学能源科学院（IAOEES）理事，Renewables, Advanced Powder Materials、Carbon Neutrality、Frontiers in Energy等领域知名期刊青年编委或客座编辑。

个人邮箱：yunzheng@fzu.edu.cn

许陈晖，福州大学材料科学与工程学院/新能源材料与工程研究院2023级博士生，师从张久俊院士和颜蔚研究员，主要研究方向为基于非碳载体的燃料电池催化剂开发及机理研究。

为了响应和对接国家“碳达峰碳中和”重要战略决策，由张久俊院士领衔创建福州大学新能源材料与工程研究院（张久俊院士团队）。研究院面向新能源产业，研究前沿理论和先进技术，开发核心材料与关键部件，集成新能源系统与制备新能源装置，培养新能源领域的工程技术与运营管理人才等。研究院下设5个中心，其中氢能和燃料电池中心，主要开展电解水和燃料电池中的核心材料、高性能催化剂以及关键部件MEA膜的研发；先进储能和动力电池中心，主要开展下一代高能量密度电池，包括固态锂基电池和钠基电池等的研发和产业化；CO₂捕获和还原中心，主要开展CO₂电化学还原低碳燃料生产系统的催化剂以及装置的开发；原位技术中心，主要依托原位测试技术为新能源材料与工程研究提供技术保障与支撑；能源AI中心，主要通过计算机建模和机器学习技术，实现新能源材料与器件的快速筛选和结构设计，以及相关机理探究和过程优化。

研究院网站：https://newenergy.fzu.edu.cn/index.htm