新型催化剂破解燃料电池活性稳定性难题

当前，燃料电池凭借灵活扩展、近零排放、低耗水等优势，正从边缘选项走向舞台中央，催化剂作为燃料电池电堆的核心材料，旨在促使氢气氧化和氧气还原反应发生从而产生电能，其综合性能直接决定了电堆成本和商业化前景。日前，一项围绕新型超耐用燃料电池催化剂的研发成果问世，尽管仍处于实验室阶段，但该成果无疑为高能耗设施能源自主提供了技术支点。

■催化剂高成本难题待解

对燃料电池而言，催化剂作为影响膜电极及电堆整体性能表现的关键原材料，其重要性不言而喻。燃料电池通过氢和氧结合来产生电能，催化剂决定了能量转换效率与设备寿命。目前商业化催化剂以铂基为主，非铂或低铂催化剂实验室降本潜力大，但大规模商业化尚未全面落地。

前瞻产业研究院指出，燃料电池催化剂，对于催化活性、稳定性和耐久性的指标有较高要求。从成本来看，燃料电池系统中最核心的部分是燃料电池电堆，其成本占比约为47%。在燃料电池电堆环节，催化剂占据非常重要的位置，成本比重达到51%。

尽管铂被认为是最有效的催化剂材料之一，但其高昂的成本和易降解特性，成为限制燃料电池发展的巨大瓶颈，铂的稀缺性又加剧了这一困境。在保证催化质量的前提下减少铂的用量，是降低电堆成本的关键。

为此，产业界和学术界一直在探索多种技术路线。日前，美国圣路易斯华盛顿大学凯尔维工程学院研究团队联合布鲁克海文国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、美国东北大学与匹兹堡大学的科研团队（以下简称“研究团队”），设计了一种新的碳纳米结构，可以使燃料电池催化剂使用微量铂，同时保持卓越稳定性和效率。

这项创新研究在“降本”与“增效”之间找到了新的平衡点。美国《每日科学》指出，这一突破不仅成功提升了燃料电池整体效率与使用寿命，也为未来更广泛、更具经济效益的氢能应用铺平了道路，有望应用于数据中心、交通运输与其他高耗能设备。

■破解活性与稳定性挑战

传统铂催化剂难以同时保证活性和耐久性，想要活性高，就得高温加热让铂原子排整齐；但一加热，铂颗粒就烧到一起、变大，变大后稳定性下降。这一“活性与稳定性”的博弈，一直是行业难题。

针对这一限制，研究团队开发的新碳纳米结构，由多孔空心碳球构成，内部含有有序的径向纳米通道，并具有大量孔隙空间和表面积。这种独特载体既能将铂钴合金纳米颗粒紧密且均匀地限于其中，又允许将热处理温度提升至1000摄氏度，远高于常规的700摄氏度上限。在此高温下，原子得以充分排列成高度有序的金属间化合物结构，而碳通道的物理约束却使颗粒尺寸奇迹般地保持在5纳米以下，且分布毫无团聚，进而同时实现极致活性与超常稳定性。

通俗来讲，燃料电池变得更高效、更耐用。研究团队测试数据显示，新结构催化剂在经历15万次严苛电压循环后，仍保有85%的初始性能，换算成连续运行时间相当于约2.5万小时。同时，开放贯通的碳通道优化了质子、氧气和水的传输，并促进离聚物均匀分散，使电极反应更加顺畅高效，实现了极低铂用量下的高功率输出。

研究团队指出，新结构可以在减少贵金属用量的同时提高活性和稳定性。有了有序碳纳米通道载体，铂钴纳米颗粒可以被限制在非常小的粒径下，即使在高温下也能保持稳定。同时，有序碳纳米通道载体有助于参与离子传输的材料更均匀地分布在电极中，也为质子、氧气和水的移动提供了更便捷的路径，助推燃料电池技术商业化铺平道路。

■燃料电池需求节节攀升

这项技术突破恰逢其时，AI算力爆发式增长正将数据中心变成吞噬电力的“巨兽”，燃料电池作为新兴现场供电技术，正成为数据中心供能的有效解决方案之一。

数据中心不仅需要大量电力来运行计算设备，还需要大量电力为其降温。美国电力研究院估计，到2030年，数据中心用电量可能占美国年发电量的9%，2023年这一比例仅为4%。

油价网报道称，大型科技公司开始通过部署燃料电池供能AI，燃料电池可在不到一年时间安装完成，比燃气轮机效率高10%—30%，运行噪音更低，且不产生氮氧化物和一氧化碳，同时具有更强的负载灵活性。

高盛研究部指出，燃料电池可以让企业较快启动新的低碳排放电力来源，估计数据中心新增电力需求的6%—15%或表后发电总供应25%—50%，最终将由燃料电池提供，这相当于到2030年需要约8至20吉瓦的燃料电池装机容量。

睿咨得能源咨询公司预计，随着AI算力推动数据中心建设加速增长，2026—2030年间，数据中心对燃料电池的累计需求将达到10.4吉瓦。

“数据中心电力需求增长将是自工业革命以来能源领域最重要的增量用途。”高盛研究部欧洲、中东和非洲地区自然资源研究主管米歇尔·维格纳强调。随着催化剂技术不断突破创新，燃料电池有望真正成为驱动AI未来的关键能源。