鉅大LARGE | 點擊量：600次 | 2023年07月24日
唐鋒能源完成億元級融資 自研燃料動力電池膜電極已通過車規級驗證
氫能源燃料電池膜電極頭部企業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投。
唐鋒能源成立于2017年，是國內領先的氫能源燃料電池膜電極廠商，團隊在燃料電池膜電極方面有豐富的研發實力和獨特的專利技術，已為國內多家燃料電池頭部客戶批量供應產品，在市場上占據了領先地位。
據唐鋒能源創始人章俊良透露，目前唐鋒能源的M10系列低鉑膜電極產品的功率密度已經達到1平方厘米1.5瓦、壽命超過1萬小時，并通過了車規級工況驗證，所有技術都有100%自主知識產權。
章俊良表示，公司的核心競爭力在于對低鉑膜電極的開發和批量制備。“我們的團隊在交大實驗室埋頭研究了10多年，研發出高功率密度、長壽命運行、適應復雜工況的低鉑合金膜電極批量制備技術，并在2017年成功實現了科技成果的產業化應用。”
調研顯示，預計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%），對應的中國膜電極市場規模將分別有300億元和840億元。
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充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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的核心組件膜電極上有著出色的技術和產品，特別是低鉑載量技術處于業內領先，可以推動氫燃料電池系統商用成本的大幅降低，應用市場極為寬廣。公司已經得到了多家行業龍頭客戶的認可，我們相信并看好唐鋒團隊能在未來不斷取得創新突破，為解決氫能產業發展的‘卡脖子’問題做出更多貢獻。”
氫能具有可再生、零排放且能量密度高的特性，燃料電池技術是氫能利用的最佳手段。在這其中，電堆是燃料電池系統的核心，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。高成本膜電極是現階段燃料電池汽車大規模推廣的“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、長壽命運行、適應復雜運行工況的應用要求，究其根本原因在于低鉑化會帶來“大電流密度下局域傳質極化加大、高電位鉑合金顆粒腐蝕加劇、寬工況氧氣和質子傳輸受限”等技術挑戰。
膜電極生產工藝
膜電極（MEA）作為氫燃料電池或系統的核心八大件之一，國產化的MEA對整個燃料電池降本非常重要，當然目前國內已經有一些代表性的廠家建立了自己的半自動或者全自動產線。
傳統MEA制備方法根據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，再將陰極和陽極GDL分別貼在兩側的CLs上經熱壓得到MEA(圖2(b))。CCS法制備MEA的優點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。缺點是制備過程中催化劑容易滲透進GDL中，造成催化劑浪費和較低的催化劑利用率。另外，CL和PEM之間的結合力也通常較差，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之間的質子傳遞阻力，成為當前MEA制備的主流技術。
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載到支撐體上，按照具體的涂覆方式，可以分為轉印法、刷涂法、超聲噴涂法、絲網印刷法、濺射法、電化學沉積法等。下面針對較有應用前景的轉印法、電化學沉積法、超聲噴涂法進行簡要介紹。
1轉印法
轉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)涂覆于轉印基質上，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結合，實現CL由轉印基質向支撐體的轉移，隨后移除轉印基質便可制得MEA(見圖3)。通過轉印法制得的MEA一般Pt負載量低、催化劑損耗小。Wilson等于20世紀90年代初開創了轉印法，在隨后的幾十年中轉印法制備工藝得到了不斷的改進。為了提高CL的遷移率，研究人員在催化劑漿料中添加了預膨脹溶劑，實現了較好的轉移效果，但后期膨脹劑去除較為困難。Park等發現，若在涂覆催化劑漿料之前，在轉印基質上增涂一層由碳粉和Nafion聚合物混合而成的碎裂碳層，可以明顯提高轉移率。最近，Shahgaldis等通過低溫轉印法制備了MEA，在沒有涂覆額外碎裂層的情況下，實現了催化劑從基質到膜的完全轉移，并且熱壓溫度可以降到130℃，但是制備過程需要高壓(6894kPa)。
轉印法制備過程中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CCM型MEA性能的可靠方法之一。然而，轉印法仍然存在以下難點需要攻破：
(1)提高催化劑利用率，使活性成分能完全從基質轉移到膜上并實現均勻分布;
(2)研制特定的轉印基質和漿料，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)制備過程中避免產生Nafion薄層(對著GDL層方向)，提升MEA傳質能力。
2電化學沉積法
電化學沉積法是一種高效、精確、可擴展的MEA制備方法，一般在三電極電鍍槽中進行，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核心三相反應區，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的負載量。電化學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變化，更容易改變沉積顆粒的大小和形態，通常會使顆粒粒徑更小，制備過程如圖4所示。
Taylor等最早發明了電化學沉積法，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電鍍槽內電鍍，電鍍過程中電解液內的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電性的區域還原沉積。Antoine和Durand使用H2PtCl6浸漬電極并在Nafion活性層內電沉積Pt顆粒，得到的CL更薄，Pt的含量高達40%(質量分數，下同)，但是CL內殘留的氯離子易使Pt催化劑中毒。電化學沉積法的主要缺點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75%。用其制備的MEA，經測試0.8V時電流密度最大能達到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，電化學沉積法制備過程中催化劑團聚、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負載量(0.138，0.350，0.712，1.208mg/cm2)對燃料電池性能的影響。結果發現，當負載量為0.350mg/cm2時峰值能量密度及峰值質量功率同時達到最大，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負載量最低。
最近，Sassin等通過自動化超聲噴涂法快速重復制備了實驗室規模的CCM型電極，過程如圖5所示。實驗中發現噴嘴高度影響燃料電池的性能，當高度為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，這可能是因為較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，進而降低電極性能。超聲噴涂法有如下優點：
(1)調控超聲頻率，能使噴出的“墨水”回彈小且不易過噴涂，節約催化劑用量，適合實驗室操作;
(2)高頻振動狀態下，催化劑高度分散，團聚減少，噴嘴處不易發生堵塞，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。超聲噴涂法的缺點是能耗較大，成為大規模應用的一個障礙。
傳統方法制備的MEA在結構上有很多缺陷并由此引發一系列問題，嚴重影響了PEMFC性能的提升，比如CL中催化劑顆粒、Nafion等的隨機亂堆，造成催化劑利用率低、壽命短、電池極化嚴重等問題;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在結構設計上必須采取多維度、多方向的改進措施，以期改善三相界面上質子、電子、氣體等物質的多相傳輸能力，提高貴金屬Pt利用率，進一步提升PEMFC的綜合性能。近年來，越來越多的研究通過改進制備方法、優化功能層結構來提高PEMFC的性能。燃料電池與氫能觀察，氫云鏈
