车用燃料电池系统耐久性研究

燃料电池的耐久性是燃料电池汽车的关键技术问题,车用燃料电池寿命需要达到5000小时以上才能满足汽车应用要求. 作者基于车用燃料电池失效模式的研究,通过优化系统设计和改进系统控制策略等,开发出长寿命的HySYS-30车用燃料电池系统,并采用车用动态工况,对所开发的燃料电池系统进行了6000小时以上的耐久性测试,6000小时的性能衰减率仅为8.1%.     

车用燃料电池耐久性研究

经过世界范围内近十年的持续研发,车用燃料电池在能量效率、体积与质量功率密度、低温启动等功能特性方面已经取得了突破性进展,新一轮的燃料电池汽车产业化浪潮正在迫近。然而,燃料电池的耐久性仍没达到商业化目标,且耐久性问题涉及面广、挑战大,成为当前燃料电池汽车产业化的主要棘手问题,构成了车用燃料电池在车辆技术方面产业化的最后障碍。车用燃料电池的耐久性已经引起了世界各国研究人员的广泛关注,本文归纳分析了车用燃料电池催化剂及其载体、质子交换膜及电极离子导体、气体扩散层、金属双极板等关键材料及部件的性能衰减机制,以及梳理了应对性能衰减的新材料、新技术与系统控制策略等耐久性最新研究进展,最后对车用燃料电池失效机制及其缓解研究提出了新的方向,以期对认识和提升燃料电池耐久性具有指导和借鉴意义。     

车用质子交换膜燃料电池材料部件

车用燃料电池主要包括质子交换膜燃料电池、金属-空气燃料电池等,其中质子交换膜燃料电池是目前车用燃料电池的主要开发对象(以下简称车用燃料电池)。经过全球范围内近十年的持续研发,车用燃料电池在能量效率、功率密度与比功率、低温启动等功能特性方面已经取得了突破性进展,新一轮的燃料电池汽车产业化浪潮正在迫近。然而,车用燃料电池的耐久性和成本还没达到预期商业化目标,是其产业化的最后障碍。探索和研发燃料电池用新型关键材料部件是解决这两大问题、推进其商业化进程的关键所在,也是车用燃料电池长期的研究重点和热点。本文系统地梳理了近几年来车用燃料电池质子交换膜、催化层、气体扩散层、双板板关键材料部件的研究进展和成果,并分类进行了简要评述,分析了其性能与商业化目标的差距。最后展望了车用燃料电池关键材料部件今后的发展方向。     

燃料电池膜电极衰减机制及其抗老化策略北大核心CSCD

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量效率和高能量密度、低温快速启动、结构紧凑、无污染、低噪声等优点,在氢能汽车、固定式电站、水下潜艇和通讯电源等方面具有广泛的应用前景.目前影响燃料电池商用化的主要问题是成本和寿命,特别是在工况下急剧的启停、干湿、温度等变化,以及随之带来的机械及电化学老化,严重影响了燃料电池核心部件膜电极的耐久性和稳定性,导致燃料电池寿命大幅度下降.动态负载下燃料电池的寿命较短,距离燃料电池汽车商业化目标寿命仍有较大距离.因此,开发快速有效的膜电极加速老化测试程序,研究膜电极的耐久性,揭示燃料电池失效机理,寻找解决措施,对提高燃料电池使用寿命,推动燃料电池技术商业化,实现国民经济可持续发展具有重大意义.本文通过对比研究膜电极老化测试,从催化材料、质子交换膜以及启停控制策略应用等方面,分析电极、质子交换膜等关键材料的衰减物化机理,从材料科学领域深入探讨提升关键材料耐久性的方法及机理.为燃料电池的各部件制备与设计完善评价体系,推进燃料电池商用化发展.     

质子交换膜燃料电池膜电极耐久性的提升

质子交换膜燃料电池由于具有能量转换效率高、操作温度低、环境友好等优点而备受人们关注。随着2014年丰田发布燃料电池电动汽车Mirai,带来了新一轮燃料电池及燃料电池汽车的产业化热潮。然而,提升质子交换膜燃料电池的寿命,开发新一代长寿命燃料电池膜电极及燃料电池仍然是本领域的挑战性课题。膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池最核心的部件,其耐久性直接决定着燃料电池的寿命。MEA主要由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层三部分组成。本文从质子交换膜、催化剂及载体、气体扩散层三个方面介绍了近年来国内外在提升燃料电池膜电极的寿命(耐久性)方面所做的工作,并对未来的相关研究和发展做了述评及展望。     

车用燃料电池启停工况性能衰减

车用燃料电池(质子交换膜燃料电池)技术经过二十余年的持续研发和不断突破,使得燃料电池汽车性能基本满足了商业化指标,并成为当前备受瞩目的新能源汽车。然而,质子交换膜燃料电池伴随实际车况变化会经历燃料供应、湿度、温度、电流、电压等复杂循环过程,造成燃料电池的关键材料衰减加速,并且车用燃料电池的耐久性问题棘手且涉及面广。本文针对车用燃料电池的启停工况,归纳分析了启停工况下燃料电池的研究过程、衰减机理、实验论证、建模分析,并从燃料电池系统管理角度分析了启停衰减的缓解策略。通过对已有启停工况下质子交换膜燃料电池性能衰减失效的梳理,提出了本文的观点、分析和解释。     

车用燃料电池现状与电催化

本文综述了近年来车用燃料电池电催化的发展状况,分析了车用燃料电池电催化的发展趋势,重点介绍了大连化学物理研究所在燃料电池电催化方面的研究进展．指出车用燃料电池电催化的发展方向是提高现有铂基催化剂的活性,在保证车用燃料电池在变载等动态工况下的可靠性与寿命的前提下,应降低膜电极的贵金属铂用量,发展低铂／非铂电催化剂．针对车用燃料电池的使用条件,应发展抗燃料气与空气中杂质的电催化方法与抗腐蚀催化剂载体．从长远考虑,重点发展碱性聚合物膜燃料电池,拓展利于活化顺磁性氧的催化方法,有望摆脱车用燃料电池对铂催化剂的依赖．     

质子交换膜燃料电池零下冷启动研究

在零下启动过程中,质子交换膜燃料电池阴极中氧气还原反应生成的水会在催化剂层内部结冰,因而阻碍氧气传输,覆盖催化剂层反应活性位点,降低电化学活性面积,影响燃料电池发电性能,甚至会导致零下启动失败;同时,结冰/融化循环还会破坏膜电极结构,影响燃料电池寿命。因此,质子交换膜燃料电池零下启动技术的研究对促进燃料电池汽车的推广应用有重要意义。本文针对质子交换膜燃料电池的零下启动过程,从实验研究、机理解释、模型分析及策略开发等角度对文献内容进行了梳理,并对涉及质子交换膜燃料电池零下启动过程的专利技术进行了总结。     

质子交换膜燃料电池零下冷启动研究进展

在零下启动过程中,质子交换膜燃料电池阴极氧气还原反应生成的水会在催化剂层内部结冰,因而阻碍氧气传输,覆盖催化剂层反应活性位点,降低电化学活性面积,影响燃料电池发电性能,甚至会导致零下启动失败;同时,结冰/融化循环还会破坏膜电极结构,影响燃料电池寿命。因此,质子交换膜燃料电池零下启动技术的研究对促进燃料电池汽车的推广应用有重要意义。本文针对质子交换膜燃料电池的零下启动过程,从实验研究、机理解释、模型分析及策略开发等角度对文献进行了综述分析,并对涉及质子交换膜燃料电池零下启动过程的专利技术进行了总结。     

燃料电池技术发展现状与展望

燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置,近年来得到国内外普遍重视.本文详细阐述了燃料电池的近期研究进展与未来面临的挑战及发展方向。燃料电池在宇宙飞船、航天飞机、潜艇动力源已经得到应用;在汽车、电站及便携式电源等民用领域展现了成功的示范,但低成本、长寿命仍然是商业化面临的瓶颈问题.未来我国应大力推进燃料电池在水下潜器、航天飞行器等特殊领域的应用,解决高可靠性与安全性及环境适应性等关键问题;同时,在民用领域要实现燃料电池寿命与成本兼顾,从材料、部件及系统等3个层次深入技术改进与创新,尽快推进燃料电池的商业化.     

离子交换膜燃料电池汽车

本文综述了离子交换膜燃料电池汽车应用发展背景,现状及商业化前景,探讨了离子交换膜燃料电池及其系统关键技术．     

庆祝衣宝廉院士八十华诞专辑序言北大核心CSCD

尊敬的衣宝廉院士:喜闻先生八十华诞,中国化学会电化学委员会特向您表示最诚挚的祝贺!您自上世纪60年代起致力于燃料电池研究,至今五十余年,是我国现代燃料电池研究、应用及产业化的主要奠基人.90年代带队完成了我国首台千瓦级质子交换膜燃料电池,并在燃料电池催化过程、复合质子交换膜等方面砥砺创新开拓,获得多项国际级的科研成果,奠定了我国质子交换膜燃料电池车用动力系统走向应用的基石;最早创立了燃料电池产业     

静电纺丝制备质子交换膜燃料电池催化剂层综述

质子交换膜燃料电池催化剂层在成本、耐久性以及性能上的局限是制约燃料电池汽车商业化的瓶颈. 已有文献证明静电纺丝技术制备的纳米纤维催化剂层能提高催化剂利用率、增加三相界面和三相通道以及提高耐久性. 作者结合所在课题组的工作综述了静电纺丝技术制备质子交换膜燃料电池催化剂层的研究进展. 首先,介绍了质子交换膜燃料电池催化剂层的发展历程,并从制备方式和结构两个方面对其进行分类和总结;接下来,从静电纺丝纳米纤维催化剂层的制备、物理特性表征、电化学性能分析及耐久性表征等方面进行了总结;最后,从三相界面、三相通道以及量产适用性的视点比较了三种结构的催化剂层,介绍了质子交换膜燃料电池催化剂层的发展趋势,并梳理了静电纺丝法制备质子交换膜燃料电池催化剂层领域待研的问题.     

燃料电池技术的发展与我国应有的对策

本文介绍了几种主要类型燃料电池的最新进展，基于世界发展趋势和我国具体情况，作者在碱性燃料电池，磷酸型燃料电池，溶融碳酸盐电池和聚合物电解质燃料电池方面提出了相应对策。以促进我国燃料电池的研究与开发。     

基于水溶性多金属氧酸盐的光催化燃料电池

以水溶性多金属氧酸盐作为光催化剂和电子载体构建了一种新型光催化燃料电池.该光催化燃料电池发生燃料的均相光催化降解反应,可实现在无光照情况下的持续放电.使用生物柴油副产物甘油作为燃料时,该光催化燃料电池的输出功率达0.24 m W/cm~2.在持续光照条件下,电池可长时间运转近50 h,电流稳定在0.75 m A/cm~2以上.甘油在电池中可持续循环放电,根据实际的反应程度可被转化为醛和酸,进一步氧化得到COx.对多种有机燃料的应用表明该光催化燃料电池具有广泛的适用性.     

质子交换膜燃料电池电流密度分布特性和研究展望

质子交换膜燃料电池具有无污染、噪声低、能量密度高、燃料转换效率高、响应速度快的显著优点,得到了迅速发展,但寿命仍然是制约其大规模商业化的重要原因。局部电流密度作为质子交换膜燃料电池运行过程中的重要参数,既能作为电池运行过程中的故障诊断和定位工具,提升电池运行的稳定性和和耐久性;又能提供电池运行期间其内部现象的有关信息,为深入理解电池反应机理以及优化电池设计提供有力指导,因此研究局部电流密度具有非常重要的意义。本文介绍并分析了实时原位测量局部电流密度的方法,比较了前人实验所得结果与模拟所得结果,阐述了相关参数对局部电流密度分布的影响机制,回顾并评析了局部电流密度用于燃料电池分析中的实际工作。最后,立足于局部电流密度的研究现状,给出了局部电流密度下一步的研究方向。     

车用燃料电池技术的现状与研究热点

燃料电池汽车作为清洁能源汽车的一部分近十几年来得到很大的发展。然而燃料电池的寿命、成本仍然是制约其商业化的瓶颈,其中材料是根本问题。本文对组成燃料电池的三种关键材料电催化剂、质子交换膜、双极板的发展现状进行了综述,并对研究热点进行了剖析。针对燃料电池在车载工况存在的问题,如电催化剂衰减、膜降解、双极板腐蚀等,基于已有试验结果和理论分析指出了可能的解决方案、对策与发展方向。     

制氢催化剂研究进展

随着化石燃料的日趋枯竭和其带来的环境问题，人们迫切需要更有效的利用化石燃料及开发清洁、价廉的新能源．氢以其储量丰富、清洁、高效、便于运输、环境友好等特点在新能源开发中脱颖而出．氢气用于燃料电池，其化学能一电能转化比内燃机高3～4倍，因此欧、美、日等国家投入了大量的人力和财力开发高效燃料电池，并且将此种电源应用于汽车、宇宙飞船和航天飞机．日本电气公司（NEC）已开发出笔记本电脑专用燃料电池．     

质子交换膜燃料电池非贵金属型Fe-N-C催化剂的研究进展

质子交换膜燃料电池具有绿色、可持续、效率高等优点,被认为是解决环境与能源问题最有前途的替代方案。燃料电池核心是催化剂,目前应用最成熟的是铂族贵金属,但其高昂的成本制约着燃料电池的快速推广,另外铂族金属对CO、NH₃等气体较为敏感,使得燃料纯度要求苛刻,因此开发高性能低成本的催化剂替代贵金属是推动燃料电池商业化的重要途径。本文总结了近年来燃料电池近年来Fe-N-C催化剂的研究成果,并对Cu、Co等金属掺杂影响进行了系统综述。文中从制备方法、载体、氮源、金属掺杂等对Fe-N-C催化剂氧还原活性及耐久性的影响进行了详细的对比分析,对催化剂的失活机理进行了一定的探讨。最后,本文展望了Fe-N-C催化剂未来的发展方向,提出催化剂活性、耐久性同步提升以及优化燃料电池催化剂层的方案。     

基于数据挖掘对商业氧还原电催化剂Pt/C测试的综合分析

近几十年来,聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)因其在零排放汽车、固定式和便携式发电设备中的应用而得到迅速发展.燃料电池的阴极氧还原反应(ORR)和阳极氢氧化反应(HOR)常用的催化剂为Pt基催化剂,因此整个燃料电池系统的成本高昂.而ORR的反应速率比HOR慢得多,阴极上的Pt消耗量远高于阳极上.为了降低燃料电池Pt的...