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车用燃料电池技术的现状与研究热点

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收稿:2009年5月*Corresp onding author e mail:blyi@车用燃料电池技术的现状与研究热点侯 明 俞红梅 衣宝廉*(中国科学院大连化学物理研究所 大连116023)摘 要 燃料电池汽车作为清洁能源汽车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即电催化剂、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下的问题,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。

关键词 燃料电池汽车 电催化剂 质子交换膜 双极板中图分类号:O646 54;TM911 文献标识码:A 文章编号:1005 281X(2009)11 2319 14Current Status and Perspective of Vehicular Fuel Cell TechnologiesHou Ming Yu Hongmei Yi Baolian*(Dalian Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,Dalian 116023,China)Abstract As a kind of clean energy vehicles,fuel cell automobiles have been developed in the past decade.Although tremendous progress has been made,the durability and the cost of the fuel cells are the bottlenecks of the fuel cell vehicles c ommercialization.Materials for proton e xchange me mbrane fuel cells (PE MFCs)are the key issues.The overvie w of the key materials of PE MFCs,i.e.,electrocatalyst,proton e xchange membrane and bipolar plate,is given.The hot research topics are analyzed.The key issues of PE MFCs for automobile operation are electrocatalyst degradation,membrane degradation and bipolar plate corrosion,etc.Possible solutions and perspectives of PE MFCs are summarized.Key words fuel cell vehicles;electrocatalysts;proton exchange membranes;bipolar platesContents1 Introduction2 Electrocatalysts3 Proton exchange membranes4 Bipolar plates5 Conclusion1 引言汽车数量的快速增长带来的环境与能源安全问题不容忽视,燃料电池 一种电化学能量转化装置[1],以其低的排放和高的能量转化效率,被人们视作未来具有发展潜力的汽车替代动力源之一。

近十几年以来各国政府、各大汽车公司以及研究机构都在从不同的侧面探索与实践燃料电池在车上的应用,掀起了车用燃料电池的研发热潮,并取得了令人瞩目的成果。

其中最具代表性的是欧洲历时2年的燃料电池电动汽车演示项目(C UTE),27辆客车在9个城市累计运行6 2万小时,行驶85万公里,承载乘客约400万[2]。

九五 末期,中科院与东风集团30kW 燃料电池中巴车的研制成功,开启了我国车用燃料电池研发的序幕; 十五 期间在科技部启动的863 电动汽车 重大专项与中科院知识创新工程重大项目 大功率质子交换膜燃料电池技术与氢源 项目的支持下,我国车用燃料电池技术取得了长足的进展;尤其是 十一五 期间在科技部863 节能与新第21卷第11期2009年11月化 学 进 展PROGRESS I N C HE MISTRYVol.21No.11 Nov.,2009能源汽车重大项目 的资助下,燃料电池电动汽车技术得到了显著的提升,燃料电池轿车成为2008北京奥运 绿色车队 中的重要成员,经受了酷热多雨天气和频繁启停城市工况等的考验,20辆燃料电池轿车运行总里程7.6万多公里,车辆执行任务970车次,单车出勤率超过90%[3]。

作为 中国燃料电池公共汽车商业化示范项目 的一部分,燃料电池城市客车自2008年7月以来在北京进行为期1年的示范运行,为燃料电池商业化进一步积累经验、收集数据。

这些国内外的研究成果,证明了燃料电池电动汽车应用的可行性,但是从现在的技术状态与存在的问题来看,普遍认为寿命与成本仍然是困扰其商业化的瓶颈。

图1 燃料电池城市客车作为奥运会马拉松比赛服务车Fig.1 FC Bus for M arathon Service in 2008Beijing OlympicGames图2 2008奥运燃料电池轿车车队驶出车场Fig.2 FC Cars in 2008Beijing Olympic Games质子交换膜燃料电池(PE MFC)其工作原理如图3所示,它具有启动快、操作条件温和等特点,特别适用于车上应用。

但是对由于受车载动态工况的影响,车用燃料电池的寿命远低于稳态操作,公开报道的车用燃料电池寿命仅为2000 3000h,还达不到商业化5000h 的目标[4,5]。

衰减机理分析显示操作过程中燃料电池材料的衰减是影响寿命的重要原因,如质子交换膜的降解、催化剂聚集 流失、炭载体腐蚀等[6 14]。

通过简化系统、优化操作条件、提高部件可靠性、完善整车控制策略等措施可在一定程度上延长燃料电池的寿命,但是,对材料进行根本性的变革,才可能会带来燃料电池寿命的大幅度提高。

此外,成本也是制约燃料电池商业化的瓶颈之一,批量制造技术的发展可以显著地降低成本,但是,决定性的因素还是要发展低成本的材料,如开发低 非铂催化剂、非氟膜以及其他廉价的替代材料等。

因此,材料是燃料电池寿命与成本的核心问题。

本文将对车用质子交换膜燃料电池的关键材料,如质子交换膜、电催化剂、双极板等的研究现状进行评述,对热点问题进行剖析,并指出未来相关技术的发展方向。

图3 质子交换膜燃料电池工作原理与结构Fig.3 Principle and structure of PEMFCs2 电催化剂的研究进展燃料电池中的电催化反应发生在电催化剂与电解质的界面上,为多相电催化。

燃料电池的电极为多孔气体扩散电极,其电化学反应涉及气、液与电子、质子传递,多孔气体扩散电极中需要有适宜的气体、液体以及电子与质子的传递通道。

电催化剂的活性、双电层以及电解质膜对电催化的特性均有影响。

由于PE MFCs 的工作温度低于100 ,在酸性电解质环境下最有效的电催化剂为铂。

鉴于资源与价格的因素,为提高铂的利用率和降低铂的用量,通常将铂高分散地担载到导电、抗腐蚀的载体上,铂为纳米级颗粒,所采用的载体多为乙炔黑型炭。

目前车用燃料电池的典型催化剂为Pt C,其用量约为1g kW,膜电极组件(ME A)单位面积上Pt 的2320 化 学 进 展第21卷用量约为0 6 0 8mg cm 2。

目前商业化的典型PE MFC s 电催化剂为日本Tanaka 、英国Johnson Matthey 出品的Pt C 。

而车用燃料电池商业化的要求为0 2g kW,单位面积ME A 的Pt 用量小于0 2mg cm 2,是目前用量的1 5,需要在目前水平的基础上大幅度降低电催化剂的用量。

另外,在车用工况下运行的燃料电池通常要经历频繁变载工况,电池会经常经历在0.4 1 0V 的电位扫描,这对于电催化剂是一个严峻的考验,容易造成电催化剂的聚集与流失;同时在车用工况下操作条件的变化会引起电池温度与湿度的变化,也会加速电催化剂的老化,氧化剂与燃料气中的杂质(如空气中的硫化物、重整气中的CO)对电催化剂具有毒化作用,使得催化剂因杂质占据活性位而失活;另外,在冬季零度以下低温环境中启动燃料电池时,目前的电催化剂在低温下的反应动力学速度缓慢,仍需要提高燃料电池电催化剂的低温活性。

这些实际问题给燃料电池电催化剂的研究提出了新的课题。

近期在燃料电池催化剂方面的研究多集中在从组分结构与制备方法两方面进行改进,以提高催化剂活性,从而降低贵金属催化剂担载量。

与此同时,抗燃料气与空气杂质污染的催化剂也一直是燃料电池电催化剂研究的热点。

基于燃料电池变载操作的特性,抗氧化腐蚀的催化剂载体也越来越得到研究人员的重视,并取得了一系列进展。

图4 氧还原反应可能的路径[15]Fig.4 Possible ORR path [15]对于氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR),有二电子和四电子机理两种路径。

Wroblowa 等[15]提出的机理如图4所示,认为O 2可以通过四电子途径(反应速率常数为K 1)直接电化学还原为水或经二电子途径(K 2)生成中间产物H 2O 2,吸附的H 2O 2可进一步还原为水(K 3),也可能氧化成O 2(K 4)或脱离电极表面(K 5),过氧化氢机理中的H 2O 2对质子导体的降解也有一定影响。

各种不同电极表面对ORR 电催化行为的影响与氧分子及各种中间体在电极表面上的吸附行为有关。

为提高PE MFCs 的电化学反应效率,在直接四电子过程中的关键是断开O O 键。

在Pt O 表面进行反应,需要氧原子与活性催化组分接触。

有研究认为[16,17]:Pt 表面的含氧吸附层会阻碍四电子的反应。

而Au 表面的氧吸附层则有利于直接四电子反应,这就给研究人员研制高活性ORR 催化剂提供了可能的选择方案。

对于氢氧化反应(hydrogen oxidation reaction,HOR),其交换电流密度通常为0 1 100m A cm 2,当燃料电池的工作电流密度为几百mA c m 2时,HOR 的极化仅为1 20mV,几乎相当于可逆电极反应。

但是,对于ORR,其交换电流密度仅为几个 A c m 2,在室温条件下,更是低至10-10A cm 2,因此燃料电池的电化学极化主要发生在阴极侧的氧还原反应。

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燃料电池汽车研究现状及发展

燃料电池汽车研究现状及发展

AUTO TIME2020/12Automobile culture 丨汽车文化025车时代随着社会经济的不断发展，以及科学技术水平的不断进步，全世界范围内汽车的生产数量还有生产规模都在不断上升，但是在汽车行业发展的过程中无疑给环境带来了很大的压力，并且对人们的身体健康也造成了一定的影响。

因此，为了在保证汽车性能的前提条件下，使环境污染的问题得到进一步的改善，就一定要重视对燃料电池汽车的研究及使用工作。

1.燃料电池汽车国内外技术发展现状1.1北美燃料电池汽车相关技术发展概况燃料电池研发与示范的主要区域是美国及加拿大，在美国一些政府部门的支持下，燃料电池技术的进步可以说是非常大的，在美国加州一些整车企业都参加了燃料电池汽车的技术示范运行，并且培育出了一批在国际上非常知名的燃料电池研发与制造企业。

1.2欧洲燃料电池汽车相关技术发展概况欧洲在发展燃料电池汽车的时候，主要是考虑想要突破燃料电池与氢能发展的重要技术难点，在燃料电池汽车的可靠性，以及成本控制等方面，欧洲都得到了很大的进步。

特别是在德国，戴姆勒奔驰在2011年就验证了燃料电池汽车的性能基本上能够媲美传统汽车的性能，政府和一些能源公司也为国家发展燃料电池汽车提供了强有力的支持，2015年整个德国境内已经建成了五十个加氢站，可以为差不多五千辆燃料电池汽车提供加氢服务。

1.3日韩的燃料电池汽车相关技术发展概况日本与韩国在燃料电池研发方面，一直都是出于全球领先水平的，特别是丰田、日产，还有现代汽车公司，无论是在燃料电池汽车的耐久性方面，还是在燃料电池企业的寿命与生产成本方面，都是具有突出优势的，甚至要优于美国还有欧洲。

1.4中国内地燃料电池汽车技术发展概况经过国家“八六三”高技术项目、“十五规划”及“十一五规划”当中有关汽车的重大项目，在这些项目的共同支持下，在产学研联合研发团队的努力下，我国的燃料电池汽车技术也得到了很快的发展，基本上把拥有自主知识产权的燃料电池汽车，以及燃料电池城市客车动力系统技术平台建立了起来，同时一些关键零部件的配套研发体系也初步形成了。

代用燃料汽车研发背景、现状及发展趋势

代用燃料汽车研发背景、现状及发展趋势


代用燃料汽车现状及发展趋势
（一）国内发展趋势
2、车用生物液体燃料开发得到重视，非粮生物液体燃料成为根本方向。 “十五”期间，我国建成了总产能为132万t的4家陈化粮燃料乙醇企业， 在9个省市推广使用乙醇含量为10％的车用乙醇汽油(E10)。广西于2007年 建成了年产20万t乙醇的木薯乙醇项目。纤维素乙醇燃料、生物质费托合成 柴油燃料(BTL)、加氢生物柴油(HVO)、藻类生物柴油等第二代生物柴油技 术目前尚处于技术研发阶段。
代用燃料汽车现状及发展趋势
（二）国外发展趋势
4、新能源汽车开发进展加快，但与实现产业化有一定距离。 在2008年北京奥运会、2010上海世博会期间，我国汽车企业和科研
机构提供了自主研发的一批电池汽车、混合动力客车/轿车、燃料电池 汽车等各种新能源汽车为奥运会和世博会服务。不过，目前我国新能源 汽车发展还存在技术成熟度不够、关键零部件配套缺乏、可靠性和生产 一致性差、市场导人期的成本较高等障碍，使得新能源汽车距离规模化 量产和广泛使用尚有一定距离。
代用燃料汽车现状及发展趋势
（二）国外发展趋势
4、生物燃料已成为车用替代燃料的最重要发展方向之一，正在酝酿技 术和产业升级转型。
目前已经实现商业化发展的生物燃料主要包括利用玉米、甘蔗、植物油等传 统粮糖油原料生产的燃料乙醇和生物柴油，通常被称为第一代生物燃料(或传统生 物燃料)。2007年，世界主要国家的燃料乙醇和生物柴油产量分别达到约4 000万t 和880万t。近年来，国际社会日益重视发展以农林业废弃物、非粮能源植物、富 油微藻等为原料的第二代生物燃料技术，主要是纤维素乙醇(丁醇)、加氢生物柴 油(HVO)、生物质费托合成燃料(BTL)、合成醇醚燃料(生物甲醇和二甲醚)、以及 氢燃料等。
燃料电池技术的发展现状与趋势

燃料电池技术的发展现状与趋势

燃料电池技术的发展现状与趋势随着全球环保和节能意识的不断加深，燃料电池技术因其高效、低排放、清洁等特点，成为人们普遍关注的焦点。

本文将介绍燃料电池技术的原理、应用、现状以及未来发展趋势。

一、燃料电池技术的原理燃料电池是一种利用化学反应将化学能转化为电能的装置。

它利用氢气和氧气等气体，在电极上反应产生电能和水等废物，无污染、高效、噪音低，是一种高科技环保节能的新型发电方式。

燃料电池的原理是利用电化学反应将氢气和氧气等气体在电极上反应，产生电能。

具体来讲，燃料电池由一个质子导体、两个极板及电解质和催化剂等组成。

随着氢气流经正极板，氢分子分解成氢原子，通过质子导体进入负极板，与与氧气和电子发生化学反应。

这种反应产生的电子会在电路中产生电流，从而产生电能。

二、燃料电池技术的应用燃料电池技术有着广泛的应用领域，可以应用于汽车、备用电力、物流运输、航空等领域，因此备受关注。

其中，燃料电池汽车是燃料电池技术最为广泛应用的领域之一。

燃料电池汽车的工作原理与普通汽车相似，只是用电代替了燃料，排放物质变成了水，没有污染。

除此之外，燃料电池汽车相比于传统燃油汽车具有更高的能源利用率。

据了解，一辆燃料电池汽车在公里数相同的情况下，比传统汽车节省30%左右的油耗，排放量只有传统汽车的一半左右。

三、燃料电池技术的现状随着近年来环保意识的不断提高，各国政府在节能环保方面加大了投入，推动新能源汽车发展。

燃料电池汽车作为一种环保、清洁的新能源汽车，备受世界各国政府、汽车厂商、能源企业、科研机构、高校等各界人士的重视。

目前，全球已经有不少汽车厂商推出了燃料电池汽车产品，其中，丰田、本田、戴姆勒、通用等国际汽车巨头都在不断研发和推广燃料电池汽车。

有关调查显示，到2025年燃料电池汽车的销量将高达50万辆以上。

另外，多个国家的政府纷纷出台了支持燃料电池汽车发展的政策和资金扶持。

四、燃料电池技术的发展趋势随着人们对环保和节能的需求不断提高，燃料电池技术的未来将更加广阔。

燃料电池技术的发展现状与前景

燃料电池技术的发展现状与前景

燃料电池技术的发展现状与前景燃料电池是一种能够将氢气、甲醇等可再生燃料转化成电能的技术。

与传统的化石燃料相比，燃料电池具有能量利用率高、环境友好等优势，被认为是未来能源的重要发展方向之一。

本文将探讨燃料电池技术的发展现状与前景。

一、燃料电池技术的发展历程燃料电池作为一种新型能源技术，其研究始于19世纪末。

20世纪60年代，美国NASA将燃料电池投入太空航行，这是燃料电池应用的一次重要尝试。

之后，燃料电池得到了广泛的关注和研究，各国纷纷投入大量的资金和人力进行研发，燃料电池也得到了不断的升级和改进。

二、燃料电池技术的现状目前，燃料电池技术已经进入到了实用化阶段。

燃料电池的类型有很多，最为常见的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。

其中，PEMFC是轻质、高效、响应速度快的燃料电池类型，适用于汽车、船舶和便携式电子设备等领域。

SOFC则具有长寿命、高效率的特点，适用于能源电力系统和基础设施等领域。

此外，燃料电池在微型化、高温高压等方面也有了很大的发展。

三、燃料电池技术的前景燃料电池技术的前景非常广阔。

首先，燃料电池作为一种新型能源技术，具有能源利用效率高、减少环境污染等优势，将会成为未来能源的重要组成部分。

其次，燃料电池的应用领域非常广泛，包括汽车、船舶、飞机等交通工具，以及电力系统和基础设施等方面，将会为人类社会的发展做出重要贡献。

再次，随着燃料电池技术的不断发展和提高，其成本也将随之降低，逐渐进入到商业化阶段，成为一项可持续发展的能源技术。

总之，燃料电池技术的发展历程经历了漫长的研究过程，而现在已经进入到实用阶段。

未来，燃料电池技术将会成为重要的能源组成部分，成为推动人类社会持续发展的重要力量。

同时，燃料电池技术将会在成本和性能等方面得到更多的提高和改进，成为一项可持续发展的能源技术。