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催化剂在燃料电池系统中的作用是什么？
催化剂是任何在化学反应中增加反应速率而自身不发生永久化学变化的物质。这一过程称为催化作用。氢燃料电池催化剂促进氧气和氢气（即燃料）的反应。燃料电池催化剂通常具有多孔和粗糙的质地，以便为反应物氧气和氢气提供更多的表面积。催化剂层是燃料电池内部最重要的部分之一，因为化学反应发生在它们的表面上。可用的表面积越大，反应速率越高。这些多孔催化剂层可以通过热解制造，热解涉及在适当的环境中加热源材料至其分解温度以上。
不同类型的氢催化剂用于不同类型的燃料电池。催化剂是燃料电池制造和应用中主要的成本决定因素之一。此外，它们可能容易受到燃料电池暴露于特定气体或其他物质的影响，因此可能需要采取额外措施来保护催化剂免受分解或有害变形的影响。
燃料电池中使用的催化剂有哪些特性？
- 氢燃料电池催化剂在加速的化学反应过程中不会发生变化。
- 氢燃料电池中的催化剂有助于将分子分解为质子和电子。
- 只需要少量的催化剂。
- 催化剂不会改变反应的平衡常数。
- 催化剂不会使不可能的反应成为可能，也不会启动反应。
- 催化剂在特定温度（称为最佳温度）下表现出最大活性。
燃料电池中使用的不同催化剂有哪些例子？
- PEM 燃料电池催化剂– 在 PEM（质子交换膜）燃料电池中，使用惰性稀土金属作为催化剂。铂是最常用的催化剂材料，其使用一直是 PEM 燃料电池制造和应用成本的决定因素之一。然而，铂作为催化剂在暴露于一氧化碳时容易分解，因此暴露于这种气体会永久减少可用于加速燃料电池反应的催化材料量。这称为燃料电池中毒，是燃料系统中的一个已知风险。最近的发展引入了其他材料，如碳化钼到膜结构中或引入额外的反应器，显著降低了这种风险。
- 碱性燃料电池催化剂– 在碱性燃料电池（AFC）中，使用非贵金属作为催化材料。这些金属通常是镍、多孔镍和镍合金。
- PAFC（磷酸燃料电池）催化剂– 在磷酸燃料电池中，使用铂作为催化剂。使用这种催化剂的经济效应与上述 PEM 燃料电池中描述的类似。
- MCFC（熔融碳酸盐燃料电池）催化剂– 在熔融碳酸盐燃料电池中，阳极和阴极是基于镍的。阳极和阴极上的镍提供了这种燃料电池类型的催化特性。高工作温度消除了对贵金属催化剂的需求。
- SOFC 催化剂– 镍是加速固体氧化物燃料电池中反应的催化剂。这种催化剂还需要防止通过硫降解和变粗（形成颗粒），因为这减少了可用于加速反应的表面积。为了避免镍颗粒的生长，使用了纳米材料 YSZ（氧化钇稳定氧化锆）。
- DMFC（直接甲醇燃料电池）催化剂– 在直接甲醇燃料电池中，使用铂和钌作为催化剂。正在进行研究以将铁和镍添加到催化剂中，以进一步降低这种类型燃料电池的成本和提高性能。
- DLFC（直接液体燃料燃料电池）催化剂– 在这种类型的燃料电池中，使用铂作为主要催化剂。为了避免一氧化碳中毒，可以引入钌、锡、钨或铼等次要元素。
什么是催化剂负载？
负载是指催化剂在燃料电池膜或与反应物相互作用的区域上的应用过程。通常有两种方式：
- 套式负载
- 密集负载
氢燃料电池催化剂负载的效率提高在过去 20 年中降低了燃料电池的成本。这有助于提高电池功率密度和耐久性。例如，它还使得铂作为催化剂的使用更加高效。
2021 年，PEMFC 阳极上的铂负载约为 0.025 mg/cm²，与 2000 年可实现的约 1 mg/cm² 相比显著减少。这相应地降低了燃料电池的生产成本。鉴于铂的价格在 40 至 60 美元/mg 之间，这可以导致燃料电池道路车辆制造成本降低约 800 美元。
影响催化剂性能的因素有哪些？
- 催化剂的烧结/脱合金/li>
- 催化剂载体（基底）的腐蚀
- 机械应力
- 污染
- 材料疏水性的变化
氢燃料电池催化剂的失效模式有哪些？
- 活性损失
- 导电性损失
- 反应物传输速率下降/li>
- 重整气耐受性损失
- 水管理控制下降
分析燃料电池催化剂潜在寿命的不同方法有哪些？
- 电位循环
- 酸洗
- 温度升高
- 允许的燃料/氧化剂污染物
氢燃料电池催化剂特定供应商名单
这些制造商提供氢燃料电池催化剂：
- 3M
- Amalyst Ltd
- Cataler Corporation
- Clariant
- ENY-Mobility GmbH
- Genport srl
- Heraeus
- HIAT
- James Cropper
- Johnson Matthey
- Nisshinbo Holdings
- Riogen Inc.
- Sainergy Fuel Cell India Pvt Ltd
- SiM Composites
- Tanaka Precious Metals
- TFP Hydrogen Products & Technical Fibre Products Ltd.（属于 James Cropper）
- Umicore
最后更新：2023 年 1 月 15 日