《E-Motec》：汽車(chē)燃料電池催化劑的使用與優(yōu)化
燃料電池電動(dòng)汽車(chē)(FCEV)是一個(gè)已經(jīng)存在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的概念。近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)(BEV)在乘用車(chē)市場(chǎng)上受到了廣泛關(guān)注，人們對(duì)用于重型車(chē)輛和能長(zhǎng)途駕駛私家車(chē)（如出租車(chē)和SUV）的燃料電池的興趣與日俱增。這種興趣加上新興的氫經(jīng)濟(jì)（由很多政府支持的從碳排放化石燃料轉(zhuǎn)向零碳或低碳來(lái)源的氫的全球轉(zhuǎn)換趨勢(shì)），意味著許多設(shè)備制造商都有了積極的FCEV項(xiàng)目計(jì)劃。
燃料電池技術(shù)與電池技術(shù)并駕齊驅(qū)。燃料電池電動(dòng)汽車(chē)使用電池動(dòng)力系統(tǒng)，但利用燃料電池產(chǎn)生的電力來(lái)維持電池的充電。因此，可以使用更小的電池。燃料電池被輸入壓縮的氫氣，氫氣通過(guò)燃料電池堆中的催化劑產(chǎn)生電力，只有尾氣中的水被排放出來(lái)。當(dāng)與可再生資源（如風(fēng)能或太陽(yáng)能）產(chǎn)生的氫氣（即所謂的綠色氫氣）一起使用時(shí)，碳足跡為零。由于氫氣可以從泵中補(bǔ)充，司機(jī)的體驗(yàn)與柴油或汽油車(chē)非常相似。泵的補(bǔ)充時(shí)間短，而不是在家里或不方便的停車(chē)期間進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的充電。
對(duì)于重型貨運(yùn)車(chē)輛來(lái)說(shuō)，與電池電動(dòng)車(chē)相比，燃料電池可以大大減輕重量，犧牲更少的載貨空間，并提供更長(zhǎng)的續(xù)航里程，而這些快速的補(bǔ)充時(shí)間使它們成為更可行的選擇。
預(yù)計(jì)到2025年，燃料電池卡車(chē)的總擁有成本將低于電池電動(dòng)卡車(chē)，到2030年甚至可以與內(nèi)燃機(jī)卡車(chē)相比具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。
燃料電池主要基于質(zhì)子交換膜(PEM)技術(shù)，該技術(shù)依賴(lài)于催化劑，即鉑和鉑合金。正是由于使用了異質(zhì)鉑族金屬催化劑，使質(zhì)子交換膜技術(shù)在汽車(chē)應(yīng)用中具有靈活性（如快速啟動(dòng)），并在環(huán)境溫度下具有高水平的性能。鉑是一種相對(duì)稀有的金屬，交易價(jià)格相對(duì)較高。為了緩解這種情況，鉑以精細(xì)分散的形式使用，以最大限度地提高表面和體積比。今天，最好的鉑催化劑由2-8納米的顆粒組成，具有非常大的比表面積。為了防止這些小納米顆粒的燒結(jié)（這會(huì)導(dǎo)致操作期間催化活性降低），金屬通常被沉積在高表面積的載體上，以防止顆粒與顆粒之間的接觸。這也減少了所需的鉑數(shù)量，優(yōu)化了金屬的使用，限制了對(duì)價(jià)格的影響。
當(dāng)鉑或鉑合金沉積在載體上時(shí)，在選擇載體類(lèi)型時(shí)必須仔細(xì)考慮。最廣泛使用的載體是碳。碳的來(lái)源廣泛，價(jià)格相對(duì)便宜，在燃料電池的條件下很穩(wěn)定，而且具有導(dǎo)電性。最初會(huì)使用像石墨這樣簡(jiǎn)單的東西，但現(xiàn)在有許多高技術(shù)等級(jí)的“炭黑”可用。
在選擇載體材料時(shí)，必須考慮催化劑所需的特性，并且在高電化學(xué)性能和耐久性之間存在一定的折衷。
以上案例HyPerTM FC 140（40%鉑在導(dǎo)電碳載體的支持下）與類(lèi)似的市售商業(yè)產(chǎn)品相比具有更高的耐用性。更長(zhǎng)的電化學(xué)性能保持時(shí)間（耐久性）意味著燃料電池的壽命更長(zhǎng)。改進(jìn)后的HyperTM FC 140使用的碳支撐材料是經(jīng)過(guò)特別挑選的，其均勻的表面特性促進(jìn)了耐久性。當(dāng)選擇高電化學(xué)性能而不是耐久性時(shí)，通常選擇具有高度結(jié)構(gòu)化表面的高表面積的碳載體。
HyPerTM FC 150X（50%鉑在超高表面積載體上）與具有更高電化學(xué)表面積的類(lèi)似商業(yè)級(jí)產(chǎn)品的比較，改進(jìn)后的電化學(xué)性能具有更高的耐用性。
高電化學(xué)表面積可以使相同體積的催化劑獲得更大的功率密度，或者可以使堆棧設(shè)計(jì)者在相同功率下使用更少的催化劑。更高的耐用性意味著這種水平的性能可以持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng)。
在燃料電池中，發(fā)生在陰極的氧還原反應(yīng)是最艱巨的反應(yīng)。這通常需要更高的鉑負(fù)載，以促進(jìn)氫離子與大氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，從而改造水。稍微容易的氫氧化反應(yīng)，即氫分子分裂成質(zhì)子和電子，發(fā)生在燃料電池的陽(yáng)極，可以使用較低的鉑負(fù)載，但這種催化劑層容易被一氧化碳（暫時(shí)性中毒）和其他物質(zhì)，如氫氣中的硫（永久性中毒）所毒害。
因此，可以使用鉑與其他材料的合金來(lái)進(jìn)一步延長(zhǎng)壽命。鉑與其他金屬的結(jié)合已經(jīng)顯示出改善的效果。鈷和鎳的合金就是很好的例子，在汽車(chē)工業(yè)中使用，可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，提高性能。鉑可以與其他PGM以合金或核殼形式結(jié)合，以發(fā)揮有益的作用。例如，鉑與釕的合金可以防止催化劑的一氧化碳中毒。這些協(xié)同效應(yīng)可以大大增強(qiáng)燃料電池系統(tǒng)的性能和壽命。在高端汽車(chē)燃料電池系統(tǒng)中，除了鉑之外，銥或銥合金也可用于陰極，以便在燃料匱乏的情況下充當(dāng)回流催化劑。通過(guò)在支撐介質(zhì)和負(fù)載方面選擇正確的催化劑，燃料電池的性能可以得到極大改善，具有更高的功率密度和更長(zhǎng)的使用壽命。
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