PEMFC电催化剂现状

我国质子交换膜燃料电池发展情况我国质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，简称PEMFC）是一种高效、清洁的能源转换装置，具有广阔的应用前景。

本文将从历史发展、技术特点、应用现状等方面介绍我国质子交换膜燃料电池的发展情况。

一、历史发展质子交换膜燃料电池源于20世纪60年代的研究，随着对清洁能源的需求日益增加，我国在上世纪90年代开始了质子交换膜燃料电池的研究工作。

通过引进国外技术和自主创新，我国在质子交换膜燃料电池领域取得了长足的进展。

二、技术特点1. 高效能：质子交换膜燃料电池具有高效能的特点，能够将氢气和氧气直接转化为电能，转化效率可高达60%以上，远高于传统燃烧发电的效率。

2. 清洁环保：质子交换膜燃料电池的排放物只有水，不产生任何有害气体和颗粒物，对环境污染非常小。

3. 快速启动：质子交换膜燃料电池具有快速启动的特点，启动时间仅需几秒钟，适用于应急电源等领域。

4. 低噪音：质子交换膜燃料电池的工作过程非常安静，噪音水平远低于传统燃烧发电设备。

三、应用现状1. 交通运输领域：我国将质子交换膜燃料电池作为新能源汽车的重要发展方向，大力推广燃料电池汽车。

目前，我国已经建成多个燃料电池汽车充电站，并投入使用一批燃料电池公交车。

2. 电力供应领域：质子交换膜燃料电池可以作为电力供应的备用电源或峰值调峰电源，可以提供可靠的电力支持。

目前，我国已经建成多个质子交换膜燃料电池电站，并投入运营。

3. 无人机领域：质子交换膜燃料电池具有轻巧、高能量密度的特点，适用于无人机等载荷要求高的领域。

我国已经成功应用质子交换膜燃料电池技术在无人机上，提供长时间、高效能的动力支持。

4. 科研领域：质子交换膜燃料电池在科研领域也得到了广泛应用，用于供电实验设备、传感器等。

其高效能、清洁环保的特点使其成为科研实验的理想能源选择。

四、发展前景我国质子交换膜燃料电池的发展前景非常广阔。

CN 11-5904/U J Automotive Safety and Energy, 2016, Vol. 7 No. 186—93 PEMFC全车况性能衰减的研究进展王 诚1，黄 俊2，赵 波3，肖 宇3， 赵鹏程3，李建秋2，张剑波2（1. 清华大学核能与新能源技术研究院，北京100084；2. 全球能源互联网研究院，北京 100000；3. 清华大学汽车工程系，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084）摘 要： 车用质子交换膜燃料电池（PEMFC）的耐久性提升，需全面系统地认识其全车况性能衰减机制。

本文调研并分析了在启停工况、零下冷启动工况、高电位工况、变载工况、大电流密度工况、杂质污染主要6种车况下的PEMFC性能衰减，归纳了在车用工况下PEMFC加速老化的实验和机理。

老化机理包括：启停工况引起阴极高电位造成催化剂碳载体腐蚀，怠速工况的产生大量自由基导致质子交换膜分解甚至形成针孔，反复变载工况引起的电位循环造成燃料电池催化剂铂颗粒粗大化和流失等。

因此，利用这些衰减机制，开发衰减应对技术，全面提升PEMFC的耐久性以及更准确的PEMFC寿命预测方法迫在眉睫。

关键词： 电动汽车；质子交换膜燃料电池（PEMFC）；车况；性能衰减中图分类号： TM 911. 4，TK 91 文献标识码： A DOI: 10.3969/j.issn.1674-8484.2016.01.011Research progress of PEMFC degradation in full operatingmodes for electric vehicleWANG Cheng1, HUANG Jun2, ZHAO Bo3, Xiao Yu3, ZHAO Pengcheng3, LI Jianqiu2, ZHANG Jianbo2（1. Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. State Grid Smart Grid Research Institute, Beijing 100000, China;3. State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China）Abstract: The durability improvement for Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) must be basedon degradations mechanisms under full operation modes of fuel cell electric vehicle, because the life time ofPEMFC has not met the targets for fuel cell vehicle commercialization. This paper makes literature investigationand analyzes for PEMFC performance degradation under main six kinds of operation modes of starting andstopping, cold start, high potential, variable load, high current density and impurity pollution with summarizingaging experimental and degradation mechanism under fuel cell vehicle modes. The main degradationmechanisms include starting and stopping mode lead to cathode high potential and catalyst carbon supporteroded, proton exchange membrane attacked by enormous radical generated under idling mode, Pt catalystparticles enlarged and washed away caused by variable load etc. Therefore, the important and urgent researchand development are to improve degradation prediction technique based on these degradation mechanisms.Keywords: electric vehicle; proton exchange membrane fuel cell (PEMFC); operating mode; performance degradation收稿日期 / Received ： 2015-10-26基金项目 / Supported by ： 由国家电网公司科技项目资助（SGRI-DL-71-14-012）第一作者 / First author ： 王诚（1974—），男（汉），四川，副教授。

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。

质子交换膜燃料电池催化剂的研究一、综述质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种高效的能源转化设备，在便携式电子设备、电动车辆和固定式电站等领域有着广泛的应用前景。

其催化剂的性能是影响电池性能的关键因素之一，因此开发高效、稳定的催化剂对于提高PEMFC的性能至关重要。

质子交换膜燃料电池的催化剂主要分为阳极和阴极两种类型。

阳极催化剂主要负责氧化有机物质，将电子传递到外部电路；而阴极催化剂则负责回收质子，将电子传递到氧气。

市场上的PEMFC催化剂主要是铂基催化剂，但由于其价格昂贵和对硫等毒物的敏感性，限制了其在大规模应用中的推广。

为了提高催化剂的安全性和稳定性，研究者们从多方面进行了深入研究。

在催化剂载体方面，通过改变载体的物理性质，如孔径分布、比表面积等，可以有效地调节催化剂的电子结构和活性位点分布，从而提高催化剂的性能。

在催化剂的组成方面，除了进一步提高铂基金属纳米粒子的分散度和稳定性外，还可以通过引入其他金属元素或非金属元素来优化催化剂的组成，以达到提高催化活性和稳定性的目的。

新型催化材料的探索也是当前研究的热点之一。

一些非铂催化剂，如过渡金属硫族化物、氮化物等，因其具有与铂类似的催化活性和良好的储氧能力，引起了广泛的关注。

虽然这些新型催化材料的制备方法、催化机理和性能等方面还存在一定的问题，但随着研究的深入，有望成为新一代的PEMFC催化剂。

通过对质子交换膜燃料电池催化剂的综述，我们可以看到催化剂的性能直接影响到电池的性能和安全。

发展高效、稳定、安全的催化剂是PEMFC领域的重要研究方向。

随着新材料、新方法的不断涌现，我们有理由相信质子交换膜燃料电池的催化剂将会取得更大的突破，为推动能源转换和环境保护做出更大的贡献。

1.1 燃料电池简介当前，在众多研究和应用领域中，PEMFC主要被应用于交通运输工具（如汽车、公共汽车和卡车等）以及便携式电源（如笔记本电脑、手机和摄像机等产品）。

PEMFC的核心组件包括阳极、阴极和质子交换膜。

PEMFC国内外研究现状
上世纪80年代，电池的性能和寿命大幅提高，由于全氟磺酸型质子交换膜碳载铂催化剂等材料的问世和发展，的研究有了突破性的进展。

在这之后，进入了PEMFC高速发展的时代，各种以其为动力的电动汽车陆续问世[2,3]。

一些学者在结合PEMFC内部结构的基础上建立机理模型，从而方便对PEMFC的性能进行分析研究。

后来有学者基于实验，从大量的数据中得到经验模型。

目前机理模型和经验模型以发展整数阶的微分和积分为主。

而对PEMFC的控制也很重要。

当电堆的输出电流发生变化时，反应气体消耗量变化。

为了使燃料电池产生可靠有效的响应，既能够确保电池反应气体入口处有充足的气体流量又能保证阳极和阴极之间的气体压力差不会过大而破坏质子交换膜，需要设计一套控制策略。

Woon KI Na等人[4]提出了一个动态质子膜燃料电池的模型和非线性控制方法，但他们控制的对象不是电池阳极和阴极气体的压强而是氢气和氧气的内部气体气压。

28690 在国内，清华大学、上海神力、中国科学院大连化学物理研究所、上海空间电源研究所等很多单位都在进行质子膜燃料电池相关的研究，并且取得了很大的进展，论文网已经接近了国内外先进水平[5]。

因为PEMFC测控系统很庞大并且具有复杂性，至今缺少统一的标准规范。

PEMFC可操作性、
可靠性和稳定性都急需提高。

现在，相关的控制方案很多，采用DSP、PLC、单片机、数据采集卡等控制器都可以实现对于PEMFC的测控[6]。

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燃料电池催化剂改性技术发展现状和挑战燃料电池作为一种新兴的清洁能源技术，被广泛应用于车辆动力、绿色能源等领域。

其中，催化剂是燃料电池中起关键作用的组成部分，其性能直接影响着燃料电池的效能和可持续性。

随着对燃料电池系统不断提高的要求，燃料电池催化剂的改性技术不断发展，以提高催化活性、耐久性和成本效益。

本文就燃料电池催化剂改性技术的现状和面临的挑战进行探讨。

一、燃料电池催化剂改性技术的现状当前，改性燃料电池催化剂技术主要有合金化、支撑剂改性和掺杂等。

合金化是指将两种或多种金属催化剂简单地合成一种材料，以提高其电化学活性。

例如，Pt和其他金属（如Co、Ni等）的合金化可以增加活性位点的数量，提高催化剂的电导性和稳定性。

支撑剂改性是将金属催化剂负载在具有高表面积、孔隙结构和化学稳定性的支撑材料上，以增加催化剂的活性和稳定性。

掺杂是指将一种或多种杂质元素引入催化剂中，以调控其电子结构和表面活性。

这些技术在改善燃料电池催化剂的性能方面发挥了重要作用。

目前，Pt基催化剂仍然是燃料电池最常用的催化剂，但其高昂的成本限制了燃料电池的商业化应用。

因此，降低催化剂成本是目前改性技术的主要研究方向之一。

一种常见的策略是减少Pt含量，同时改善催化剂的活性和稳定性。

为此，研究人员发展了许多非贵金属催化剂，如过渡金属和合金化过渡金属氮化物。

例如，过渡金属卟啉化合物在燃料电池催化剂中的应用受到了广泛关注。

此外，金属有机框架材料也被认为是一种有潜力的Pt替代材料。

二、燃料电池催化剂改性技术面临的挑战尽管燃料电池催化剂改性技术取得了显著进展，但仍然存在一些挑战。

首先，改性催化剂的活性和稳定性问题仍然是研究的热点。

改性催化剂在燃料电池中需要具备良好的催化活性和长期稳定性，以满足实际应用需求。

尤其是在高温、高压、高湿度等恶劣环境条件下，催化剂容易发生聚集、脱落和失活等问题。

因此，如何提高改性催化剂的耐久性仍然是一个亟待解决的问题。

其次，改性催化剂的制备工艺和成本问题亟需解决。

简述燃料电池发展现状燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，通常由阳极、电解质、阴极和电化学催化剂组成。

燃料电池的发展已经有数十年的历史，目前已经取得了一定的进展。

下面将简述燃料电池发展现状。

首先，燃料电池技术已经逐渐成熟，特别是质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）两种型号。

PEMFC主要在低温下工作，适用于小型移动设备和小功率应用，如汽车。

SOFC则适用于高温运行，具有较高的效率和长寿命，因此主要用于大型发电系统。

其次，燃料电池技术不断取得突破。

近年来，燃料电池的性能和稳定性有了显著提高。

例如，PEMFC的功率密度已经超过2.5 kW/L，能效超过60%。

同时，SOFC已经实现了高达60%的电能转化效率。

此外，燃料电池的使用寿命也有所延长，PEMFC可以达到5000小时以上，SOFC甚至可以达到数万小时。

再次，燃料电池技术逐渐商业化。

越来越多的燃料电池产品投入市场，如汽车、公共交通工具和便携式电源等。

日本、韩国、德国和美国等国家已经建立了相应的燃料电池产业链，形成了规模化的生产能力。

此外，政府和企业也加大了对燃料电池技术研发和推广的投入。

最后，燃料电池技术在环保和新能源领域具有广阔的应用前景。

燃料电池具有高效、低污染的特点，使用氢气等清洁燃料，不产生二氧化碳等有害物质。

因此，燃料电池可以作为传统能源的替代品，减少对化石燃料的依赖，从而降低碳排放和环境污染。

燃料电池还可以与可再生能源结合，实现能源转型和可持续发展。

综上所述，燃料电池的发展现状是技术逐渐成熟，性能不断提高，商业化进程加快，并且在环保和新能源领域具有广阔的应用前景。

然而，燃料电池面临着成本高、储氢和储氧等技术难题，需要进一步研发和突破。

相信随着科技的进步和政策的支持，燃料电池在未来能够发挥更大的作用，推动能源的革新和可持续发展。

氢燃料电池技术的研究现状氢燃料电池技术被认为是未来清洁能源的主流。

它与传统能源不同，不产生二氧化碳等温室气体和不良排放物。

随着气候变化和环境问题的日益加剧，人们对氢燃料电池技术的关注度越来越高。

那么，目前氢燃料电池技术的研究现状如何呢？首先，值得注意的是，不同类型的燃料电池在技术研究方面存在巨大差异。

一、质子交换膜燃料电池（PEMFC）也叫聚合物电解质膜燃料电池。

这种电池具有低温启动、高能量转换效率、低污染和变化性能好等优点。

它主要由质子交换膜、阳极、阴极和双极板等部分组成。

目前，PEMFC已经成为了HYDROGEN UPTAKE 2项目的主力。

二、硷性聚合物电解质燃料电池（AEMFC）在AEMFC中，聚合物电解质是一种弱碱性的聚合物，具有高电导性、低成本、良好的稳定性和耐腐蚀性能等优点。

不过，它也存在着膜的高碱性使其更容易出现面积膨胀和水合等问题，同时也存在阴极降解、耐金属离子污染等问题。

研究表明，这种电池能够利用氢气和氨气作为燃料源。

三、碳燃料电池（DMFC）在碳燃料电池中，需要使用碳水化合物（如甲醇、乙醇）作为燃料，但需要通过催化剂将燃料转化为电能。

碳燃料电池因催化剂的寿命、燃料过程中产生的废物等因素，导致其效率低且易受过度催化的影响。

此外，快速的燃料化反应也会导致质子膜的水分泌作用，从而降低其效率。

四、固态氧化物燃料电池（SOFC）固态氧化物燃料电池具有高效率和高温的优点，因此被广泛应用于工业领域。

它通常由阳极、阴极和电解质三个部分组成，并具有高倍率、长寿命、高能量效率和低二氧化碳排放等特点。

但是，SOFC也面临着电解质陶瓷的脆性和导电性差的问题，因此目前仍有待改进。

除了不同类型的燃料电池，氢燃料电池技术的研究现状还需要关注以下几个问题：一、催化剂的使用在燃料电池中，催化剂也起着至关重要的作用，它有助于提高燃料电池的效率，从而实现其商业化应用。

当前，常用催化剂包括铂、钴、镍等。

其中，铂是最为常用的催化剂，但由于其成本较高，因此需要寻找更廉价、更高效的替代品。

质子交换膜燃料电池电催化剂的研究综述[摘要] 概述了质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作原理及电催化剂的特殊性质，总结了近年来的相关研究资料，综述了质子交换膜燃料电池用催化剂在国内外研究现状及目前的研究热点。

归纳了近年来提高催化剂稳定性的改进方法，包括改变合金组成、选择高稳定性催化剂载体、制备新型催化剂材料；最后提出了该催化剂材料研究中存在的问题和今后的发展方向。

[关键词] PEMFC；催化剂；载体；性能衰减；稳定性1.引言随着全球能源的减少以及环境恶化的加剧,开发环保的新能源逐渐引起了人们的广泛关注。

燃料电池(FuelCell)因具有高效、环保、燃料来源广及可靠性高等优点成为各国研究的热点。

燃料电池是一种能直接将存储在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能的电化学装置。

而其中的质子交换膜燃料电池(PEMFC)除了具备燃料电池一般的特点之外，还具有可室温快速启动、无电解液流失、无腐蚀、寿命长、比功率与比能量高、重量轻、体积小等突出特点[1]。

无论是PEMFC还是其它类型的燃料电池，其关键材料与部件都包括电极、电解质隔膜与双极板三部分。

电极是其核心组成部分，而电极性能是由电催化剂性能、电极材料与制作工艺来决定的。

其中，电催化剂的性能又决定着电流密度放电时的电池性能、运行寿命及成本等[2]。

所以，电催化剂的性能是关系到PEMFC能否真正走向商业化的重要因素，制备出性能优异、成本低、稳定性好的电催化剂将会有力促进PEMFC走向商业化，最终为发电技术开辟新的途径。

2 .质子交换膜燃料电池及其电催化材料质子交换膜燃料电池(PEMFC)也称固体聚合物电解质燃料电池。

以高分子聚合物为电解质，以Pt/C或Pt-Ru/C为电催化剂，以氢气或催化重整气为燃料，以空气或纯氧为氧化剂，以带有气体流动通道的石墨或表面改性金属板为双极板的一种燃料电池，低温燃料电池单体主要由四部分组成，即阳极、阴极、电解质和外电路，如图1所示。

PEMFC电催化剂现状13材料C1 安海山20134865620PEMFC的发展历史质子交换膜燃料电池的发展历史起源于20世纪60 年代初美国的GE 公司为NASA 研制的空间电源, 采用的是1 kW 的PEMFC 作为双子星座宇宙飞船的辅助电源, 尽管PEMFC 的性能表现良好, 但是由于当时该项技术处于起步阶段, 仍存在许多问题, 如功率密度较低(<50 mW/cm2);聚苯乙烯磺酸膜的稳定性较差, 寿命仅为500 h 左右;铂催化剂用量太高等, 因此在以后的Apollo 计划等空间应用中,NASA 选用了当时技术比较成熟的碱性燃料电池, 使得PEMFC 技术的研究开发工作一度处于低谷。

1962 年美国杜邦公司开发出新型性能优良的全氟磺酸膜, 即Nafion系列产品, 1965 年GE 公司将其用于PEMFC , 使电池寿命大幅度延长。

但是由于铂催化剂用量太高和Nafion膜的价格昂贵以及电池必须采用纯氧气作为氧化剂, 使得PEMFC 的开发长时间是以军用为目的, 限制了该项技术的广泛应用。

进入20 世纪80 年代以后, 以军事应用为目的的研制与开发, 使得PEMFC 技术取得了长足的发展。

以美国、加拿大和德国为首的发达国家纷纷投入巨资开展PEMFC 技术的研究开发工作, 使得PEMFC 技术日趋成熟。

20 世纪90 年代初期, 特别是近几年, 随着人们对日趋严重的环境污染问题的认识加深,PEMFC 技术的开发逐渐由军用转向民用, 被认为是第四代发电技术和汽车内燃机的最有希望的替代者。

PEMFC的现状EMFC中的电催化剂, 应满足以下4 个条件:①具有导电性, 或使用导电性良好的载体以求获得高的导电性;②一定的电化学稳定性, 即能在实现目标反应的条件下, 电催化剂表面不会因电化学反应而过早失活;③较好的催化性能, 包括实现目标反应及抑制副反应的活性;④比表面积大。

通常电催化剂分为两大类, 即阴极催化剂(催化氧化剂的还原)和阳极催化剂(催化燃料的氧化)。