氫能源燃料電池膜電極頭部企業(yè)上海唐鋒能源科技有限公司（下稱“唐鋒能源”）近日完成了億元級B輪融資，本輪融資由光速中國領(lǐng)投。

唐鋒能源成立于2017年，是國內(nèi)領(lǐng)先的氫能源燃料電池膜電極廠商，團(tuán)隊在燃料電池膜電極方面有豐富的研發(fā)實(shí)力和獨(dú)特的專利技術(shù)，已為國內(nèi)多家燃料電池頭部客戶批量供應(yīng)產(chǎn)品，在市場上占據(jù)了領(lǐng)先地位。

據(jù)唐鋒能源創(chuàng)始人章俊良透露，目前唐鋒能源的M10系列低鉑膜電極產(chǎn)品的功率密度已經(jīng)達(dá)到1平方厘米1.5瓦、壽命超過1萬小時，并通過了車規(guī)級工況驗(yàn)證，所有技術(shù)都有100%自主知識產(chǎn)權(quán)。

章俊良表示，公司的核心競爭力在于對低鉑膜電極的開發(fā)和批量制備。“我們的團(tuán)隊在交大實(shí)驗(yàn)室埋頭研究了10多年，研發(fā)出高功率密度、長壽命運(yùn)行、適應(yīng)復(fù)雜工況的低鉑合金膜電極批量制備技術(shù)，并在2017年成功實(shí)現(xiàn)了科技成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用?！?/p>

調(diào)研顯示，預(yù)計2030年和2035年，中國氫能源汽車銷量30萬臺（滲透率約1%）和150萬臺（滲透率約5%），對應(yīng)的中國膜電極市場規(guī)模將分別有300億元和840億元。

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光速中國助理合伙人朱嘉表示，“唐鋒能源在氫燃料電池系統(tǒng)的核心組件膜電極上有著出色的技術(shù)和產(chǎn)品，特別是低鉑載量技術(shù)處于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先，可以推動氫燃料電池系統(tǒng)商用成本的大幅降低，應(yīng)用市場極為寬廣。公司已經(jīng)得到了多家行業(yè)龍頭客戶的認(rèn)可，我們相信并看好唐鋒團(tuán)隊能在未來不斷取得創(chuàng)新突破，為解決氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的‘卡脖子’問題做出更多貢獻(xiàn)。”

氫能具有可再生、零排放且能量密度高的特性，燃料電池技術(shù)是氫能利用的最佳手段。在這其中，電堆是燃料電池系統(tǒng)的核心，而膜電極則是電堆的核心，直接決定了電池的性能、壽命和成本。高成本膜電極是現(xiàn)階段燃料電池汽車大規(guī)模推廣的“卡脖子”難題。

目前，低鉑化是解決上述難題的根本途徑。然而，低鉑化卻難以滿足車用燃料電池高輸出功率、長壽命運(yùn)行、適應(yīng)復(fù)雜運(yùn)行工況的應(yīng)用要求，究其根本原因在于低鉑化會帶來“大電流密度下局域傳質(zhì)極化加大、高電位鉑合金顆粒腐蝕加劇、寬工況氧氣和質(zhì)子傳輸受限”等技術(shù)挑戰(zhàn)。

膜電極生產(chǎn)工藝

膜電極（MEA）作為氫燃料電池或系統(tǒng)的核心八大件之一，國產(chǎn)化的MEA對整個燃料電池降本非常重要，當(dāng)然目前國內(nèi)已經(jīng)有一些代表性的廠家建立了自己的半自動或者全自動產(chǎn)線。

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傳統(tǒng)MEA制備方法根據(jù)CL支撐體的不同可以分為兩類：一類是CCS法，是將催化劑活性組分直接涂覆在GDL上，分別制備出涂布了催化層的陰極GDL和陽極GDL，然后用熱壓法將兩個GDL壓制在PEM兩側(cè)得到MEA(圖2(a));另一類是CCM法，是將催化劑活性組分涂覆在PEM兩側(cè)，再將陰極和陽極GDL分別貼在兩側(cè)的CLs上經(jīng)熱壓得到MEA(圖2(b))。CCS法制備MEA的優(yōu)點(diǎn)在于制備工藝相對簡單成熟，制備過程利于氣孔形成，PEM也不會因“膜吸水”而變形。缺點(diǎn)是制備過程中催化劑容易滲透進(jìn)GDL中，造成催化劑浪費(fèi)和較低的催化劑利用率。另外，CL和PEM之間的結(jié)合力也通常較差，界面阻力大。與CCS法相比，CCM法能夠有效提高催化劑利用率、大幅度降低膜與CL之間的質(zhì)子傳遞阻力，成為當(dāng)前MEA制備的主流技術(shù)。

無論是使用CCS法還是CCM法制備MEA，制備過程中都需要將催化劑活性組分負(fù)載到支撐體上，按照具體的涂覆方式，可以分為轉(zhuǎn)印法、刷涂法、超聲噴涂法、絲網(wǎng)印刷法、濺射法、電化學(xué)沉積法等。下面針對較有應(yīng)用前景的轉(zhuǎn)印法、電化學(xué)沉積法、超聲噴涂法進(jìn)行簡要介紹。

1轉(zhuǎn)印法

轉(zhuǎn)印法是先將催化劑漿料(一般由Pt/C或E-TEK催化劑、聚四氟乙烯乳液或Nafion溶液與醇類溶液混合而成)涂覆于轉(zhuǎn)印基質(zhì)上，然后烘干形成三相界面，再通過熱壓(溫度約為210-250℃)方式將其與GDL或PEM結(jié)合，實(shí)現(xiàn)CL由轉(zhuǎn)印基質(zhì)向支撐體的轉(zhuǎn)移，隨后移除轉(zhuǎn)印基質(zhì)便可制得MEA(見圖3)。通過轉(zhuǎn)印法制得的MEA一般Pt負(fù)載量低、催化劑損耗小。Wilson等于20世紀(jì)90年代初開創(chuàng)了轉(zhuǎn)印法，在隨后的幾十年中轉(zhuǎn)印法制備工藝得到了不斷的改進(jìn)。為了提高CL的遷移率，研究人員在催化劑漿料中添加了預(yù)膨脹溶劑，實(shí)現(xiàn)了較好的轉(zhuǎn)移效果，但后期膨脹劑去除較為困難。Park等發(fā)現(xiàn)，若在涂覆催化劑漿料之前，在轉(zhuǎn)印基質(zhì)上增涂一層由碳粉和Nafion聚合物混合而成的碎裂碳層，可以明顯提高轉(zhuǎn)移率。最近，Shahgaldis等通過低溫轉(zhuǎn)印法制備了MEA，在沒有涂覆額外碎裂層的情況下，實(shí)現(xiàn)了催化劑從基質(zhì)到膜的完全轉(zhuǎn)移，并且熱壓溫度可以降到130℃，但是制備過程需要高壓(6894kPa)。

轉(zhuǎn)印法制備過程中PEM不需要接觸溶劑，因此有效避免了膜“吸水”膨脹起皺等問題，成為改進(jìn)CCM型MEA性能的可靠方法之一。然而，轉(zhuǎn)印法仍然存在以下難點(diǎn)需要攻破：

(1)提高催化劑利用率，使活性成分能完全從基質(zhì)轉(zhuǎn)移到膜上并實(shí)現(xiàn)均勻分布;

(2)研制特定的轉(zhuǎn)印基質(zhì)和漿料，要求二者既要在涂覆時有很好的“親和力”又要在熱壓過程中容易剝離;

(3)制備過程中避免產(chǎn)生Nafion薄層(對著GDL層方向)，提升MEA傳質(zhì)能力。

2電化學(xué)沉積法

電化學(xué)沉積法是一種高效、精確、可擴(kuò)展的MEA制備方法，一般在三電極電鍍槽中進(jìn)行，在外加電場的作用下，不僅可以將分布均勻的催化劑顆粒直接沉積到MEA核心三相反應(yīng)區(qū)，還可以將Pt或Pt合金從其混合溶液或熔融鹽中電解出來與Nafion緊密接觸。因此，在保證燃料電池性能的前提下，能夠有效降低Pt的負(fù)載量。電化學(xué)沉積法按照外通電流類型可以分為直流和脈沖兩種，與直流電流相比，脈沖電流下，電極表面沉積條件將連續(xù)變化，更容易改變沉積顆粒的大小和形態(tài)，通常會使顆粒粒徑更小，制備過程如圖4所示。

Taylor等最早發(fā)明了電化學(xué)沉積法，他們先用Nafion溶液浸漬無催化活性的碳電極，然后將電極放入工業(yè)電鍍槽內(nèi)電鍍，電鍍過程中電解液內(nèi)的Pt離子要穿過電極表面的Nafion薄層，并在同時具有離子和電子導(dǎo)電性的區(qū)域還原沉積。Antoine和Durand使用H2PtCl6浸漬電極并在Nafion活性層內(nèi)電沉積Pt顆粒，得到的CL更薄，Pt的含量高達(dá)40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，但是CL內(nèi)殘留的氯離子易使Pt催化劑中毒。電化學(xué)沉積法的主要缺點(diǎn)是沉積的催化劑顆粒粒徑較大且大小不均。為了制備粒徑小、Pt/C比例高的催化劑，Kim等采用脈沖電沉積法在GDL上沉積了0.25mg/cm2的Pt催化劑，Pt顆粒粒徑小于5nm，Pt/C比最高可達(dá)75%。用其制備的MEA，經(jīng)測試0.8V時電流密度最大能達(dá)到0.38A/cm2，而作為參照的Pt/C電極只有0.2A/cm2。最近，Adilbish等通過脈沖電泳沉積法，在脈沖電流30mA/cm2、循環(huán)時間1s、占空比25%的條件下，制備出2-4nm粒徑、2～2.5μm厚的超薄CL。但是，電化學(xué)沉積法制備過程中催化劑團(tuán)聚、分布不均等問題還有待解決。

3超聲噴涂法

超聲噴涂法是近幾年才發(fā)展起來的MEA制備方法，該法制備的一般流程為：先將催化劑漿料在超聲浴中震蕩，分散均勻，然后再在超聲條件下噴涂到支撐體(GDL或者PEM)上。Su等采用超聲噴涂法制備了高溫CCS型MEA，并在160℃條件下測試了4種不同Pt負(fù)載量(0.138，0.350，0.712，1.208mg/cm2)對燃料電池性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)載量為0.350mg/cm2時峰值能量密度及峰值質(zhì)量功率同時達(dá)到最大，分別為0.339W/cm2和0.967W/mgPt。此外，與手工噴涂、空氣噴涂、刀具涂層等制備方法相比，在類似性能下，超聲噴涂法制備的MEA的Pt負(fù)載量最低。

最近，Sassin等通過自動化超聲噴涂法快速重復(fù)制備了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的CCM型電極，過程如圖5所示。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)噴嘴高度影響燃料電池的性能，當(dāng)高度為3.5cm時制得的電極與高度為5.0cm或6.4cm時制得的電極相比，電池電流密度較小，這可能是因?yàn)檩^低噴嘴高度會增加催化層表面裂縫，不利于及時排出CL中生成的水，進(jìn)而降低電極性能。超聲噴涂法有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)調(diào)控超聲頻率，能使噴出的“墨水”回彈小且不易過噴涂，節(jié)約催化劑用量，適合實(shí)驗(yàn)室操作;

(2)高頻振動狀態(tài)下，催化劑高度分散，團(tuán)聚減少，噴嘴處不易發(fā)生堵塞，噴在支撐體上的催化劑排布也非常均勻，因此能夠有效制備薄膜涂層;

(3)操作簡單，自動化流程，適合MEA的批量化生產(chǎn)。超聲噴涂法的缺點(diǎn)是能耗較大，成為大規(guī)模應(yīng)用的一個障礙。

傳統(tǒng)方法制備的MEA在結(jié)構(gòu)上有很多缺陷并由此引發(fā)一系列問題，嚴(yán)重影響了PEMFC性能的提升，比如CL中催化劑顆粒、Nafion等的隨機(jī)亂堆，造成催化劑利用率低、壽命短、電池極化嚴(yán)重等問題;再比如GDL中的孔隙雜亂分布，一定程度上制約了GDL的排水和通氣功能。為了克服上述問題，新的MEA在結(jié)構(gòu)設(shè)計上必須采取多維度、多方向的改進(jìn)措施，以期改善三相界面上質(zhì)子、電子、氣體等物質(zhì)的多相傳輸能力，提高貴金屬Pt利用率，進(jìn)一步提升PEMFC的綜合性能。近年來，越來越多的研究通過改進(jìn)制備方法、優(yōu)化功能層結(jié)構(gòu)來提高PEMFC的性能。燃料電池與氫能觀察，氫云鏈