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。     

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%.     

直接甲醇燃料电池纳米结构电催化材料及多孔电极研究

直接甲醇燃料电池(DMFC)因其燃料能量密度高,工作温度低,低污染排放等优点被认为是用作移动设备电源的最佳选择之一,至今已有美国的Oorja Protonics公司和丹麦的IRD公司等新能源相关企业相继发布了多款用于手机、电脑、通信基站、叉式装卸机或房车的商业产品.然而, DMFC内部的复杂情况造成的多种不同的电压损失仍旧使得其实际电压效率远低于理论值.其中从阳极渗透到阴极的甲醇造成的混合电位导致的电压损失尤为明显.目前,众多研究人员都致力于开发高稳定性、高耐久性、高性能且低成本的催化材料体系,以克服传统Pt催化剂存在的各种问题.除了催化剂本身之外, DMFC的问题还与其中膜电极的微结构和电化学特性息息相关.膜电极是化学能通过电催化氧化还原反应转化为电能的反应场所,通常由阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层依序组合而成.通过对MEA中的各层进行优化,如传质管理和甲醇渗透等问题都能得到有效解决.
　　近年来,纳米技术常被用于改进DMFC性能的研究.具备纳米结构的金属-碳/金属氧化物载体类催化材料得到了广泛研究.这些电催化材料在制备方法、结构和组分上都有较大区别.结构方面,许多研究都证明制备纳米级多孔网络结构或者有序阵列结构的催化层有助于提高催化性能和Pt的利用率.组分方面,许多研究人员都开展了引入Pt以外金属成分或金属氧化物来改变Pt催化剂的表面电子状态的研究.引入这些组分导致的配位体效应可以通过弱化Pt与H+, OH-或COads等的相互作用来起到抗催化毒化和提高催化效率的作用.尽管对于DMFC领域的认知逐渐完善,但是仍有许多问题有待解决.因此,本文介绍了目前用于DMFC的纳米结构电催化材料和多孔电极的研究进展.重点介绍了纳米结构催化剂和载体材料的合成及表征.
　　通过对比不同催化材料的特性可以发现,在本文涉及到的催化材料中, In0.1SnO2-Pt和(MoO3)0.2SnO2-Pt/C表现出了最高的催化活性,但是它们高效催化甲醇电氧化所需的碱性环境与现在占绝对主流地位的Nafion质子交换膜所必须的酸性环境相冲突,所以其实际应用价值在碱性阴离子交换膜研究取得突破前都难以有效发挥.而另一类表现较好的采用溶致液晶模板法合成的纳米树枝状和纳米星形Pt催化剂则存在制备工艺难以商业规模化的问题.总的来说,采用溶剂热合成法制备的Pt-NRCeO2/GNs和Pt/Ti0.9Sn0.1O2-C等纳米结构金属氧化物、碳材料复合载体和Pt基贵金属催化剂组成的催化材料体系不仅催化性能相对于商业化Pt纳米颗粒有很大提高,而且制备方法易于商业规模化,值得进一步关注.此外,本文还介绍了如内部传质过程的理论建模计算和膜电极中功能结构的制备等优化DMFC中多孔电极内传质过程的方法.通过计算机模拟得到优化DMFC内部传质过程所需的扩散层、催化层的传质特性相关参数,再通过改进MEA制备工艺,有效控制各层的结构参数向模拟的优化值靠拢,能够实现DMFC性能的有效提升.综合模拟、实验研究及工艺研究结果,根据实际需要,设计和制备包含新功能层的MEA的相关研究也更进一步提高了DMFC的性能和实用性.就目前的研究情况而言,如果在性能提升的基础上,使用寿命再取得突破, DMFC一定会有很好的商业应用前景.     

车用燃料电池系统耐久性研究北大核心CSCD

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Hy SYS-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%.     

炭黑负载Pt-Sn双金属催化剂对乙醇的电催化氧化性能

采用一步还原法(乙二醇为还原剂)与两步还原法(在聚乙烯吡咯烷酮PVP保护下,先用硼氢化钠还原制备Sn溶胶,沉积Pt后用乙二醇还原)制备了炭黑负载Pt-Sn双金属催化剂,利用循环伏安法和计时电流法考察了催化剂制备方法、Pt/Sn原子比、溶液p H值、PVP/Sn质量比、反应介质等对乙醇室温电催化氧化活性和稳定性的影响.以X光衍射、透射电镜及电化学活性面积测定对所得催化剂进行了表征.发现引入Sn明显提高了Pt催化剂对乙醇的电催化活性与稳定性,两步还原法得到的Pt3Sn/C催化剂具有更小的颗粒尺寸,更大的电化学活性面积及更高的乙醇氧化活性与稳定性.与酸性介质相比,该催化剂在碱性介质中的电化学活性更好.     

铂、钌共修饰的氧化钛电极对甲醇的电催化氧化

燃料电池;铂、钌共修饰的氧化钛电极对甲醇的电催化氧化     

再生燃料电池的研究与应用

与传统二次电池（铅酸蓄电池、锂电池）相比,再生燃料电池在储能时间、能量密度、使用寿命和环境保护方面占有优势,可广泛应用于航天、军事领域和现场蓄能系统。本文介绍了再生燃料电池的原理、分类和应用情况,详细阐述了再生燃料电池双效电极和双效电极催化剂的制备方法以及水热管理的研究进展,指出再生燃料电池的不足之处并进行了展望。     

直接甲醇燃料电池的研究进展

电催化剂;质子交换膜;膜电极集合体;电池性能;综述;直接甲醇燃料电池的研究进展     

质子交换膜燃料电池阳极抗CO催化剂的研究进展

质子交换膜燃料电池采用重整气或甲醇为燃料时 ,阳极催化剂的CO中毒问题是影响其性能的主要原因 .使用抗CO催化剂是解决该问题的根本方法 .文中对质子交换膜燃料电池的CO问题进行了简介 ,比较详细地介绍了目前抗CO催化剂研究的发展现状 ,包括各种催化剂的活性、制法及抗CO机理 .Mo、W是很有希望改进阳极催化剂抗CO能力的材料 ,多组分催化剂是比较有希望的方向 .     

PtRuMo/C催化剂的制备及其对甲醇的电催化氧化作用

阳极甲醇氧化;电催化剂;PtRuMo/C催化剂的制备及其对甲醇的电催化氧化作用     

Performance and instabilities of proton exchange membrane fuel cells

Performance of proton exchange fuel cells with different membrane and electrode assembly (MEA) is studied. It is shown that MEA fabricated with catalyst plasma pulverization technology has the maximum performance. Some instabilities in the cell performance, observed with time, are probably due to periodic cathode flooding. Published in Russian in Elektrokhimiya, 2006, Vol. 42, No. 5, pp. 525–534. The text was submitted by the authors in English.     

Current status of automotive fuel cells for sustainable transport

Automotive proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs) have finally reached a state of technological readiness where several major automotive companies are commercially leasing and selling fuel cell electric vehicles, including Toyota, Honda, and Hyundai. These now claim vehicle speed and acceleration, refueling time, driving range, and durability that rival conventional internal combustion engines and in most cases outperform battery electric vehicles. The residual challenges and areas of improvement which remain for PEMFCs are performance at high current density, durability, and cost. These are expected to be resolved over the coming decade while hydrogen infrastructure needs to become widely available. Here, we briefly discuss the status of automotive PEMFCs, misconceptions about the barriers that platinum usage creates, and the remaining hurdles for the technology to become broadly accepted and implemented.     

PEMFC催化剂的研究：自制抗CO中毒Pt-Ru/C电催化剂的性质

用胶体法制备了抗CO中毒PEMFC阳极Pt-Ru/C电催化剂（标记为THYT－2）,对 比研究了THYT－2与Johnson Matthey (JM)公司同类品牌Pt-Ru/C催化剂的电化学及 其它物理化学性能。结果表明,THYT－2电催化剂在甲醇燃料电池和CO／H_2（Φ_ (CO) = 1 * 10~(-4)）的氢氧燃料电池中的电催化行为与JM催化剂相当,但THYT－ 2在低浓度CO氢气燃料中的电池性能更好。两种催化剂的其它物理化学性质具有类 似性：XPS分析结果表明THYT－2和JM催化剂 中都有三种不同价态的Pt存在：即金 属态Pt(0)、氧化态Pt(II)和Pt(IV)。HRTEM测试结果表明两种催化剂的粒径处在2 ～3 mn左右,这可能是它们拥有良好电化学性能的主要原因之一。本文还对催化剂 中Pt与Ru组分的分布和相互作用进行了讨论,提出了改进Pt-Ru/C电催化剂的思路 。     

Stabilization Strategies of Pt Catalysts for Proton Exchange Membrane Fuel Cells北大核心CSCD

The low service lifetime of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) is the main bottleneck for their commercial applications.One of the main factors is that the expensive metal Pt catalyst is easy to degradation under the harsh working environment of PEMFC (such as variable voltage, strong acidity, gas-liquid two-phase flow), which leads to the inevitable decay of the catalytic performance, thus, seriously restricting the lifetime of PEMFC.Therefore, the electrochemical stability of Pt-based electrocatalysts has become an important and hot topic to improve the PEMFC lifetime.In this paper, we review the recent development in enhancing the stability of Pt electrocatalysts for PEMFC, mainly focusing on the achievements obtained by our group, especially, the polymer stabilization strategy, carbon encapsulation/confinement stabilization strategy, and support stabilization strategy.In addition, the challenges in these Pt catalyst stabilization strategies are summarized, and the corresponding measures and future research trends in facing these challenges are suggested.,,,,. © 2018 Chinese Chemical Society. All rights reserved.     

质子交换膜燃料电池铂电催化剂稳定策略

质子交换膜燃料电池使用寿命低是制约其商业化应用的主要瓶颈. 其中,影响质子交换膜燃料电池寿命的一个主要因素是其所广泛使用的贵金属铂基电催化剂在燃料电池苛刻的运行环境下（如可变电压、强酸性、气液两相流等）容易发生降解,导致电催化剂性能衰减,从而降低了质子交换膜燃料电池的使用寿命. 因此,如何保持铂基电催化剂的电化学稳定性已成为质子交换膜燃料电池稳定性研究中的重大科学问题. 本论文基于作者在该领域的长期研究成果,评述了应用于质子交换膜燃料电池的铂电催化剂稳定性的研究进展. 重点关注了能够大幅改善铂催化剂电化学稳定性的策略,包括聚合物稳定策略、多孔碳封装/限域稳定策略以及载体稳定策略,并对这些铂催化剂稳定策略所面临的挑战进行了展望.     

Performance of direct dimethyl ether fuel cells at low temperature

The performance of direct dimethyl ether fuel cells (DDMEFC) is presented in this study at the relatively low temperature of 80 °C. At temperatures lower than 100 °C, since water exists as liquid but DME as a gas, it is difficult for them to use simultaneously as fuel for DDMEFCs even with the low solubility of DME in water at atmospheric pressure. It has been found that the use of an interdigitated flow field enhances the performance of DDMEFC by facilitating the phase mixing of DME and water. Palladium (Pd) catalyst is not nearly electrochemically active to the anode reaction of DDMEFC and platinum–ruthenium (Pt–Ru) catalyst has been found to be effective anode catalysts for DDMEFC at low temperature.     

Synthesis and test of palladium-based nanostructured anodic electrocatalysts for hydrogen fuel cells with solid polymer electrolyte

Palladium-based nanostructured electrocatalysts on the Vulcan XC-72 carbon support for fuel cells with solid polymer electrolyte are synthesized and studied. In particular, electrochemical studies of the synthesized catalysts are carried out and membrane-electrode assemblies are assembled on their basis and tested. The test results indicate that platinum can be replaced with palladium in the hydrogen electrode of the fuel cells.     

车用燃料油氧化脱硫技术进展

概述了应用于车用燃料油的多种脱硫技术,主要包括加氢脱硫、催化裂化脱硫、吸附脱硫、萃取脱硫、生物脱硫等,并详细介绍了氧化脱硫技术及其脱硫机理。氧化脱硫技术主要包括：含硫化合物的氧化和分离两个步骤,从原子结构上来看,硫原子比碳原子多5个3d轨道,使得含硫化合物更容易接受氧原子而被氧化,通过氧化剂将有机硫化合物氧化成砜类,就能增加其极性,使其更容易溶于极性溶剂,从而达到与烃类分离的目的。与其他脱硫技术相比氧化脱硫技术的投资少,操作条件温和且不消耗氢气,对加氢脱硫难以脱除的二苯并噻吩(DBT)类化合物有较高的脱硫效率,能达到超深度脱硫的要求。     

Pt/Au原子比对活性炭负载Au-Pt直接甲酸燃料电池阴极催化剂性能的影响

制备了不同Pt/Au原子比的活性炭负载Au-Pt催化剂(Au-Pt/C),研究了Au/Pt原子比对Au-Pt/C催化剂氧还原电催化性能和抗甲酸性能的影响.结果表明,与Au/C催化剂相比,Au-Pt/C具有更好的电催化性能.当Pt/Au原子比从0/50增加到2/48时,Au-Pt/C催化剂表现出良好的氧还原电催化性能和抗...