机理5：聚合物相衰减导致ECA 减少
F.-Y. Zhang, S. G. Advani, A. K. Prasad, et al. Electrochim. Acta. 2009 (54): 4025-4030
PtM催化剂
协同稳定化效应 可提高ORR电催化活性
Pt 电子效应
PtM
几何效应 M 过渡金属
燃料电池轿车发动机性能
额定功率 过载功率 输出工作电压 FC系统最大质量比功率 额定工况下FC系统效率 FC系统最高效率 额定工况下FC系统噪声
50 kW 60 kW 385 V 200 W/kg 41 % 49 % 80 dB
50kW燃料电 池轿车发动机
数据由中国科学院 大连化物所承建的“863”计 划“节能与新能源汽车重大 项目”燃料电池发动机测试 中心提供
80kW燃料电 池客车发动机
数据由中国科学院大连化物所承建的“863”计划“节能与新能 源汽车重大项目”燃料电池发动机测试中心提供
累计运行：1500 h，行驶：20000km
12
燃料电池车在上海世博会上运营
6辆客车
196辆燃料电池车上海世博会服务 （2010.5-2010.10)
平均单车运行里程4500~5000km，最长 的单车运行累积里程达到10191公里
Q. Shen, M. Hou et al J. Power Sources, 2009, 189: 1114-1119.
22
燃料电池发动机待解决问题
需解决的主要问题：降低电池系统成本。 1）电堆：降低Pt用量，达到<0.1gPt/kW; 2）系统：降低空压机陈本与功耗。
近期降低高压储氢瓶的成本，远期研发新型储氢材料。 3）加氢站：促进加氢站技术开发，进一步降低加氢站的建
9
燃料电池车性能已经达到传统汽车水平
国内用于示范的燃料电池汽车 200余辆燃料电池电动车示范运行； 累计运行里程十余万公里； 性能与国际水平接近，成本、耐久性等亟待改善。
07年上海 比比登赛
08年北京 奥运示范
09年美国 加州示范
新源动力公分有限公司提供
10年新加 坡世青赛
10年上海 世博会
燃料电池轿车在北京奥运会上服务
ORR反应路径
Wroblowa H, J. Electroanal. Chem., 1967, 15: 139-150
Pt表面的含氧吸附层阻碍四电子反应
Au微晶在Pt(111)表面的STM
Au表面的氧吸附层有利于直接四电子反应 (125 × 125 nm)
Pt H2O Pt - O 2H 2e
Pt催化剂衰减机理探究
机理3：晶体迁移造成Pt颗粒长大
M. S. Wilson, F. H. Garzon, K. E. Sickafus, et al. J. Electrochem. Soc. 1993(140): 2872-2脱落和聚集
D. A. Stevens, M. T. Hicks, G. M. Haugen, et al. J. Electrochem. Soc. 2005 (152): A2309-A2315
Zhang J, Sasaki K, Sutter E, et al. Science 2007, 315: 220-222
J. Electroanal. Chem., 1994, 377: 249-259
Pt催化剂衰减机理探究
机理1： Ostwald 熟化效应导致Pt 颗粒长大
Y. Shao-Horn, W. C. Sheng, S. Chen, et al. Top. Catal. 2007 (46): 285-305
8
燃料电池车性能已经达到传统汽车水平
汽车公司
国际各大汽车公司燃料电池汽车性能
Toyota
FCHV-adv
Honda
FCX Clarity
Nissan
X-Trail FCV
GM
Hydrogen 4
车辆外观
最高车速 155km/h
续驶里程 830 km
FC功率 90kW 最大扭矩 256 Nm
冷启动
-30℃
机理2：Pt 晶体溶解后在聚合物相再沉积
K. Yasuda, A. Taniguchi, T. Akita, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. 2006 (8): 746-752. K. Yasuda, A. Taniguchi, T. Akita, et al. J. Electrochem. Soc. 2006 (153): A1599-a1603
燃料电池车安全性试验：气瓶火烧（中国汽研中心测试）
试验过程中，氢气通过压力释放装 置（PRD）排放，氢气排空时（瓶内压 力低于1.0 MPa时）气瓶仍保持完整， 没有爆炸。
火烧试验过程中压力—时间关系 18
燃料电池堆寿命问题接近解决
国际：UTC，>10000h； 国内：通过技术进步，3000－5000h
体积与传统的四缸内燃机相当
GM
GM-Hydrogen4
Toyota
电堆功率密度: 3kW/L, 2.0kW/kg
7
/online/news/articles/2009-09/General-Motors-Announces-New-Fue /online/news/articles/2010-03/GM-Uncovers-Production-Intent-Fu



E
nF
i nF A e RT e RT C 0
ORR为不可逆电极反应， i0~10-10 A /cm2
电化学反应速率：
nFe
i i0e RT
Tafel 方程
电化学极化： 0.4~0.5V
e

RT
nF
ln i0
RT
nF
ln i
电化学反应的活化能：化学+电 化学的活化能E：电极电势等于零的活化能，与电催化剂的活性相关 电的活化能：由双电层电场引起，与电极电势相关
燃料电池客车在北京公交示范
燃料电池客车发动机性能
额定功率 过载功率 起动时间 输出工作电压 FC系统最大质量比功率 额定工况下FC系统效率 FC系统最高效率 氢气利用率 从怠速到额定功率时间 额定工况下FC系统噪声
80k W 110 kW 1-1.6 s 375-520 V 187 W/kg 50% 61% 99.2-96.7% 3.8-4.0 s 78dB
车用燃料电池现状与电催化
衣宝廉
中国科学院大连化学物理研究所 2012. 12.
1
报告内容
燃料电池工作原理； 燃料电池车的现状； 燃料电池发动机的主要问题； 电催化与电催化剂 结语
2
燃料电池原理
发电原理：电化学，与原电池一致
关键材料
电解质膜 电催化剂 双极板等
MEA组成
PEMFC单电池结构
燃料电池原理
21
燃料电池堆寿命问题接近解决
认识衰减机理 改进控制策略
启动停车过程形成氢空界面产生1.6V高电位
1.6
1.4 停车过程
1.2
1.0
启动过程
大连化物通过在线 电压监测，深入研究了 电池启动/停车时氢/ 空界面的形成过程，提 出了提高进气速度、氮 气吹扫及惰性负载放电 等策略，以提高燃料电 池寿命和稳定性。
脱合金制备Core-Shell催化剂
Dealloyed Core-shell ORR electrocatalyst
Dealloy
脱合金(de-alloyed) “核(PtM)－壳(Pt)”电催化 质量比活性可达Pt/C的4倍
催化剂在膜电极上的制备过程
极化减少 拐点上移
31
PtM催化剂－Core-Shell
Core-shell Pt monolayer Electrocatalyst
Pt-Pd-Co/C 核壳催化剂 总质量比活性 是商业催化剂 Pt/C的3倍
质量比活性与商业催化剂比较
M. Shao et al. Electrochem. Commun. 2007, 9: 2848–2853
减少Pt用量：降低成本；
提高电催化剂的活性：缩短Pt-Pt原子 间距，从而有利于氧的解离吸附；过渡 金属的流失可导致Pt表面的糙化，增加 Pt的比表面积；
增加电催化剂的稳定性：“锚定”作 用，Pt催化剂烧结聚集现象有所改善， 可提高Pt催化剂的分散性和稳定性；
改进电催化剂的抗毒化能力：集团效 应，协同作用等。
15
燃料电池车的安全性已经通过试验验证
燃料电池电堆安全性试验
挤压试验
浸泡试验
跌落试验
穿刺试验
中国汽研中心测试
16
燃料电池车的安全性已经通过试验验证
燃料电池车安全性试验：碰撞（中国汽研中心测试）
前碰
氢燃料电池汽车的碰撞安全性能 是完全有保证的，能够满足和符 合国家碰撞安全标准
后碰
碰撞后
17
燃料电池车的安全性已经通过试验验证
燃料电池车性能已经达到传统汽车水平
动力性能、续驶里程、加速性能、低温启动等特性与传统内燃机相当
Mercedes-Benz F-CELL B class （Daimler）
基于最新一代技术，系统体积减少40%； 700bar,3个氢罐，每个罐4kg的H2，3分钟加 氢，续驶里程400km；
最高时速170km/h, 可以-25C储存与启动； 车动力100kW，最大扭矩290Nm动力性能 高于2L的汽油车，百公里当量耗油量3.3L； 具有高安全性与舒适性。
2011年8月10日
120kW燃 料电池系统
PureMotion®Model120(UTC)