国立釜庆大学-材料研究院-GIST开发氢燃料电池寿命提升技术

Published 29 Aug.2024 16:00(KST)

Updated 03 Aug.2025 08:57(KST)

open/close

新型碳材料电极添加剂开发

提升聚合物电解质燃料电池耐久性

国立釜庆大学纳米融合工学专业 Seo Minho 教授与韩国材料研究院 Choi Seungmok 博士、光州科学技术院（GIST） Eom Gwangseok 教授研究团队，将其世界首创开发的新型碳材料作为电极制造工艺中的添加剂，成功大幅提升了达到商用水平的聚合物电解质燃料电池系统的耐久性。

研究团队（自左起为博士研究生 Jin Song、博士 Kwon Junhwa、博士 Choi Seungmok、教授 Eom Gwangseop、教授 Seo Minho）。

作为环保高效电池而备受关注的聚合物电解质燃料电池，以氢为燃料，通过氢氧化反应产生电能，反应产物仅排放水，是一种发电装置。

然而，在现有聚合物电解质燃料电池系统中，启停开关过程中会产生高于1.4V的高电压，从而加速催化层的碳腐蚀，进而导致催化层崩塌，以及在氧还原反应过程中生成的水在电极内部过量聚集（water flooding），使耐久性急剧下降。

Seo Minho 教授研究团队利用具有高碳耐腐蚀性的新型碳材料作为电极内部添加剂，有效改善了因碳腐蚀导致的燃料电池耐久性下降问题。

本次研究中所采用的氟掺杂石墨烯纳米带与碳纳米管复合体（F-GNR@CNT），是为克服传统石墨烯纳米带氧化物在碳腐蚀方面的脆弱性而开发的。

传统石墨烯纳米带氧化物在合成过程中由于强烈的化学氧化作用，氧官能团大量增加，同时在众多缺陷和边界部位产生不稳定性，因而在燃料电池运行时对电化学碳腐蚀极为脆弱。Seo Minho 教授研究团队通过调节氧化程度合成了具有高耐腐蚀性的碳纳米管复合体，并通过为氟掺杂而设计的热处理工艺形成了稳定的碳–氟键。

Seo Minho 教授研究团队与韩国材料研究院 Choi Seungmok 博士、韩国能源技术研究院 Choi Youngwoo 博士研究团队合作，开发了仅需极少量添加 F-GNR@CNT 复合体的电极优化工艺技术，并据此制备了电极。

与 GIST Eom Gwangseop 教授团队一起对该电极的电化学碳腐蚀加速耐久性进行评估的结果显示，传统催化层电极在物质传输区的劣化率约为85%，而添加新型碳材料的电极劣化率约为40%，由此确认其具有极高的电化学碳腐蚀抗性。

Seo Minho 教授研究团队还通过密度泛函理论（DFT）阐明了碳腐蚀抗性提高的理论机理。通过对石墨烯纳米带和碳纳米管结构进行建模，并计算在是否进行氟掺杂条件下，作为碳腐蚀因素的水和氧原子的吸附能，结果表明，在氟掺杂的石墨烯纳米带及碳纳米管结构中，吸附能更低，从而提出了碳腐蚀抗性得以改善的可能性。

作为研究负责人，Seo Minho 教授表示：“通过实验与计算科学相结合所证实的氟掺杂石墨烯纳米带与碳纳米管复合体，若作为电极内部添加剂使用，将成为高耐久性氢燃料电池得以高效、简便开发的重要战略。”

本次研究成果在国立釜庆大学新进研究者挑战研究、韩国能源技术评价院、韩国产业技术企划评价院及韩国材料研究院基础项目的支持下完成。研究结果发表于国际学术期刊，由博士课程研究生 Jin Song（韩国材料研究院·GIST）、Kwon Junhwa 博士（GIST）担任第一作者，Choi Seungmok 博士以及 Eom Gwangseop 教授、Seo Minho 教授担任通讯作者。