《E-Motec》：汽車燃料電池催化劑的使用與優(yōu)化
燃料電池電動汽車(FCEV)是一個已經(jīng)存在相當長時間的概念。近年來，電動汽車(BEV)在乘用車市場上受到了廣泛關注，人們對用于重型車輛和能長途駕駛私家車（如出租車和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（由很多政府支持的從碳排放化石燃料轉(zhuǎn)向零碳或低碳來源的氫的全球轉(zhuǎn)換趨勢），意味著許多設備制造商都有了積極的FCEV項目計劃。
燃料電池技術與電池技術并駕齊驅(qū)。燃料電池電動汽車使用電池動力系統(tǒng)，但利用燃料電池產(chǎn)生的電力來維持電池的充電。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。當與可再生資源（如風能或太陽能）產(chǎn)生的氫氣（即所謂的綠色氫氣）一起使用時，碳足跡為零。由于氫氣可以從泵中補充，司機的體驗與柴油或汽油車非常相似。泵的補充時間短，而不是在家里或不方便的停車期間進行長時間的充電。
對于重型貨運車輛來說，與電池電動車相比，燃料電池可以大大減輕重量，犧牲更少的載貨空間，并提供更長的續(xù)航里程，而這些快速的補充時間使它們成為更可行的選擇。
預計到2025年，燃料電池卡車的總擁有成本將低于電池電動卡車，到2030年甚至可以與內(nèi)燃機卡車相比具有成本競爭力。
燃料電池主要基于質(zhì)子交換膜(PEM)技術，該技術依賴于催化劑，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)子交換膜技術在汽車應用中具有靈活性（如快速啟動），并在環(huán)境溫度下具有高水平的性能。鉑是一種相對稀有的金屬，交易價格相對較高。為了緩解這種情況，鉑以精細分散的形式使用，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（這會導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，限制了對價格的影響。
當鉑或鉑合金沉積在載體上時，在選擇載體類型時必須仔細考慮。最廣泛使用的載體是碳。碳的來源廣泛，價格相對便宜，在燃料電池的條件下很穩(wěn)定，而且具有導電性。最初會使用像石墨這樣簡單的東西，但現(xiàn)在有許多高技術等級的“炭黑”可用。
在選擇載體材料時，必須考慮催化劑所需的特性，并且在高電化學性能和耐久性之間存在一定的折衷。
以上案例HyPerTM FC 140（40%鉑在導電碳載體的支持下）與類似的市售商業(yè)產(chǎn)品相比具有更高的耐用性。更長的電化學性能保持時間（耐久性）意味著燃料電池的壽命更長。改進后的HyperTM FC 140使用的碳支撐材料是經(jīng)過特別挑選的，其均勻的表面特性促進了耐久性。當選擇高電化學性能而不是耐久性時，通常選擇具有高度結構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）與具有更高電化學表面積的類似商業(yè)級產(chǎn)品的比較，改進后的電化學性能具有更高的耐用性。
高電化學表面積可以使相同體積的催化劑獲得更大的功率密度，或者可以使堆棧設計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)的時間更長。
在燃料電池中，發(fā)生在陰極的氧還原反應是最艱巨的反應。這通常需要更高的鉑負載，以促進氫離子與大氣中的氧發(fā)生反應，從而改造水。稍微容易的氫氧化反應，即氫分子分裂成質(zhì)子和電子，發(fā)生在燃料電池的陽極，可以使用較低的鉑負載，但這種催化劑層容易被一氧化碳（暫時性中毒）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進一步延長壽命。鉑與其他金屬的結合已經(jīng)顯示出改善的效果。鈷和鎳的合金就是很好的例子，在汽車工業(yè)中使用，可以產(chǎn)生協(xié)同效應，提高性能。鉑可以與其他PGM以合金或核殼形式結合，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)同效應可以大大增強燃料電池系統(tǒng)的性能和壽命。在高端汽車燃料電池系統(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回流催化劑。通過在支撐介質(zhì)和負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的使用壽命。
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