《在冷启动条件下对燃料电池中质子交换膜的阴阳极催化下的氢-氧反应》

  • 来源专题:可再生能源
  • 编译者: 董璐
  • 发布时间:2015-07-23
  • 近几年,燃料电池汽车(FCVs)已经显示出商业化的巨大潜力。燃料电池在低于冰点的温度下质子交换膜的启动能力令人担忧。在这项研究中,利用少量的氢气与空气混合物在催化剂层低温度下反应,对氢-氧催化反应来辅助冷启动的方法进行了分析与开发。然而,阴极催化反应不能维持成功的启动,其增湿效应对降低电阻起着重要的作用,并提高了固有的热生成率。一般情况下,高电流密度与空气摩尔系数的操作模式是一个更加实用与节能的冷启动方式。

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    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2019-09-23
    • 燃料电池在无特殊处理或辅助工具的情况中,在低于0℃的工作环境下,阴极侧反应生成的水易结冰导致催化层、扩散层堵塞,阻碍反应的进行,并且水结冰产生的体积变化也会对膜电极组件的结构产生破坏,导致性能衰减。因此,低温冷启动被认为是影响燃料电池汽车商业化的主要因素之一。   为早日实现燃料电池汽车商业化,国内目前已有上汽集团、宇通客车、延边国泰新能源汽车有限公司等企业在低温冷启动领域投入研发并取得一定成果。   日前,东北规模最大的新能源商用车生产基地——延边国泰新能源汽车有限公司,举行高寒地区新能源汽车控制技术及氢燃料电池系统集成技术发布会。据悉,这两项技术的研发将促进中国最北、温度最低地区氢燃料客车的示范运行。   无独有偶,今年3月,上汽集团也发布了国内首款满足-30℃使用工况的燃料电池物流车,该车在北方冬天也能够正常启动和运营。   此外,1月28日,国家电动客车电控与安全工程技术研究中心对宇通FCEB燃料电池客车进行-30℃低温环境的冷启动实验,结果显示,车辆置于-30℃高寒环境舱20小时后,可实现15min内成功启动,多次启动后燃料电池系统性能无衰减,车载氢系统安全无泄漏。2018年12月29日,在黑河-25℃环境温度下,宇通燃料电池公交能完成了整车8.2分钟启动,满载C-WTVC工况下,完成200km路试试验验证。   业内人士表示,国内企业在燃料电池汽车低温冷启动领域取得突破,与其核心部件氢燃料电池电堆性能、比功率、耐久性的提升密切相关。目前,国内已有神力科技、亿华通、捷氢科技等企业研发出适于低温启动的燃料电池电堆:   神力科技:成立于1998年6月,是国内最早专注于自主燃料电池产品开发与产业化的企业。公司已研发出燃料电池电堆模块SFCC9MD和SFCC9HD系列产品。自主电堆产品具备高度集成、快速启动响应、高可靠性、高防水防尘、高电磁兼容性、绝缘性强、抗振特性强等优势;电堆体积功率密度2.2kW/L,支持-30℃低温自启动、-40℃低温存储,广泛适用于客车、物流车、乘用车等领域。   亿华通:成立于2004年,主要从事燃料电池动力系统的生产与销售,公司持有神力科技35.1684%股份。目前,亿华通自主研发的燃料电池电堆在无外界热源辅助的条件下实现-20℃低温启动,并完成超过200次低温启动寿命耐久性测试。在此基础上研发的第四代燃料电池动力系统,实现-30℃低温启动、-40℃低温存储。   捷氢科技:成立于2018年6月,公司目前已完成PROME P240、PROME P260、PROME P390三款燃料电池系统的研发,其中 P240 产品应用在大通FCV80轻客,系统功率 40kW;P260产品,应用在申沃燃料电池客车;P390为自主研发的大功率燃料电池电堆及系统,电堆功率为115kW,体积功率密度为 3.1kW/L,空气系统无外增湿,可实现 -30℃ 低温启动,实现与丰田、现代等国际一流燃料电池车企的技术对标。   业内人士认为,适于低温启动的燃料电池电堆的研发,提高了我国燃料电池电堆的可靠性和耐久性,将对规模化推广燃料电池汽车有重要意义。
  • 《科学家开发新型燃料电池催化剂》

    • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2018-10-29
    • 阻碍环保氢燃料电池广泛应用于汽车、卡车和其他车辆的一个因素是铂催化剂的成本。 使用不太贵重的铂的一种方法是将其与其他较便宜的金属结合使用,但这些合金催化剂在燃料电池条件下往往会迅速降解。 现在,布朗大学的研究人员已经开发出一种新型合金催化剂,既能减少铂的使用,又能在燃料电池测试中保持良好的性能。 据《焦耳》杂志报道,这种催化剂由铂合金和纳米颗粒中的钴制成,在反应性和耐久性方面都超过了美国能源部(DOE) 2020年的目标。 “合金催化剂的耐久性是该领域的一个大问题,”布朗大学化学研究生Junrui Li说。 “研究表明,合金最初的性能比纯铂要好,但在燃料电池中,催化剂的非贵金属部分会很快被氧化和过滤掉。” 为了解决这个浸出问题,Li和他的同事开发了一种特殊结构的合金纳米颗粒。 这些粒子有一个纯铂外壳,围绕着一个由铂和钴原子交替层构成的核心。 布朗大学(Brown)化学教授、该研究的资深作者Shouheng Sun表示,这种分层的核心结构是催化剂反应性和耐久性的关键。 “内核中原子的分层排列有助于平滑和收紧外壳中的铂晶格,”Sun说。 “这增加了铂的反应性,同时也防止了钴原子在反应过程中被吃掉。这就是为什么在金属原子随机排列的情况下,这些粒子比合金粒子表现得更好。” 关于有序结构如何增强催化剂活性的细节在焦耳论文中有简要描述,但更具体地说,在发表在《化学物理杂志》上的另一篇计算机建模论文中。 这项建模工作由安德鲁·彼得森(Andrew Peterson)领导,他是布朗工程学院的副教授,也是焦耳论文的合著者。 为了进行实验工作,研究人员测试了催化剂的能力来执行氧还原反应,这对燃料电池性能和耐久性是至关重要的。 在质子交换膜(PEM)燃料电池的一侧, 从氢燃料中剥离出来的电子会产生驱动电动机的电流。在电池的另一端,氧原子吸收这些电子来完成一个循环。 这是通过氧还原反应完成的。 初步测试表明,该催化剂在实验室环境下表现良好,优于更传统的铂合金催化剂。 新催化剂在3万次电压循环后仍然保持活性,而传统催化剂的性能明显下降。 但是,尽管实验室测试对于评估催化剂的性能很重要,研究人员说,它们并不一定能显示催化剂在实际燃料电池中的性能。 与实验室测试环境相比,燃料电池环境温度更高,酸度也不同,这将加速催化剂的降解。 为了弄清楚这种催化剂在这种环境下能维持多久,研究人员将这种催化剂送到洛斯阿拉莫斯国家实验室,在一个实际的燃料电池中进行测试。 测试表明,该催化剂在初始活性和长期耐久性方面都优于美国能源部(DOE)设定的目标。 美国能源部要求研究人员开发催化剂,到2020年,其初始活性为每毫克铂0.44安培,在3万次电压循环(大致相当于燃料电池汽车使用5年)后,其活性至少为每毫克铂0.26安培。 对新催化剂的测试表明,它的初始活性为每毫克0.56安培,在3万次循环后的活性为每毫克0.45安培。 “即使经过了30000个循环,我们的催化剂仍然超出了能源部最初的活性目标,”Sun说。 “在真实的燃料电池环境中,这种性能真的很有前途。” 研究人员已经申请了催化剂的临时专利,他们希望继续开发和完善它。