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燃料電池汽車的關鍵技術

更新時間:2018-11-17點擊次數(shù):2290

中國燃料電池部分技術指標已經(jīng)達到或*類商品的水平,未來燃料電池汽車可能滿地跑啦。與時俱進的你,一定很想知道其中的關鍵材料與技術。

1. 車用燃料電池技術鏈

燃料電池發(fā)電原理與原電池或二次電池相似,電解質(zhì)隔膜兩側(cè)分別發(fā)生氫氧化反應與氧還原反應,電子通過外電路作功,反應產(chǎn)物為水(圖1)。燃料電池單電池包括膜電極組件(MEA)、雙極板及密封元件等。

 

圖1 燃料電池工作原理

 

與原電池和二次電池不同的是,燃料電池發(fā)電需要有一相對復雜的系統(tǒng)(圖2)。

 

圖2 燃料電池系統(tǒng)組成

 

燃料電池汽車動力鏈的主流技術為“電-電”混合模式(圖3),平穩(wěn)運行時依靠燃料電池提供動力,需要高功率輸出時,燃料電池與二次電池共同供電,在低載或怠速工況燃料電池給二次電池充電。

 

圖3 燃料電池汽車動力鏈組成

 

典型的燃料電池動力系統(tǒng)車上布局如圖4所示,可采用底板布局或前艙布局。

 

圖4 燃料電池動力系統(tǒng)車上布局

2 燃料電池關鍵材料與部件

2.1 電催化劑

 

電催化是燃料電池的關鍵材料之一,其作用促進氫、氧在電極上的氧化還原過程。研究新型高穩(wěn)定、高活性的低Pt或非Pt催化劑是目前的熱點。

 

2.1.1 Pt-M催化劑

 

Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C等二元合金催化劑,在提高穩(wěn)定性的同時,也提高質(zhì)量比活性,還降低了貴金屬的用量。如Chen等制備了高活性與高穩(wěn)定性的電催化劑(圖5)。

 

圖5 Pt3Ni 納米籠結(jié)構(gòu)ORR 催化劑形成過程

 

2.1.2 Pt核殼催化劑

 

利用非Pt材料為支撐核、表面貴金屬為殼的結(jié)構(gòu),可降低Pt用量,提高質(zhì)量比活性。如中國科學院大連化學物理研究所制備的Pd@Pt/C核殼催化劑,其氧還原活性與穩(wěn)定性好于商業(yè)化Pt/C催化劑(圖6)。

 

圖6 Pd Pt 核殼催化劑質(zhì)量比活性與穩(wěn)定性與商業(yè)化催化劑比較

 

2.1.3 Pt單原子層催化劑

 

制備Pt單原子層的核殼結(jié)構(gòu)催化劑是一種有效降低Pt用量、提高Pt利用率,同時改善催化劑的ORR性能的方式。美國國家實驗室Adzic的研究組和海交通大學張俊良等在這方面比較活躍。

 

2.1.4 非貴金屬催化劑

 

非貴金屬催化劑的研究主要包括過渡金屬原子簇合物、過渡金屬螯合物、過渡金屬氮化物與碳化物等。在這方面,各種雜原子摻雜的納米碳材料成為研究熱點,如N摻雜的非貴金屬催化劑顯示了較好的應用前景。

 

2.2 固態(tài)電解質(zhì)膜

 

車用燃料電池中質(zhì)子交換膜(PEM)是一種固態(tài)電解質(zhì)膜,其作用是隔離燃料與氧化劑、傳遞質(zhì)子(H+)。目前常用的商業(yè)化質(zhì)子交換膜是全氟磺酸膜,其化學式如圖7所示。

 

圖7 全氟磺酸Nafion膜的化學結(jié)構(gòu)

 

山東東岳集團長期致力于全氟離子交換樹脂和含氟功能材料的研發(fā),產(chǎn)品的性能達到商品化水平(圖8),但批量生產(chǎn)線還有待進一步建設。

 

圖8 國產(chǎn)膜與進口商品膜燃料電池性能比較(東岳公司提供)

 

此外,為了提高性能,日趨薄化的質(zhì)子交換膜耐久性受到考驗,于是一系列質(zhì)膜改性而來的增強復合膜不斷被開發(fā)出來。

 

2.3 氣體擴散層(GDL)

 

GDL位于流場和催化層之間,其作用是支撐催化層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu),并具有質(zhì)/熱/電的傳遞功能。通常GDL由支撐層(憎水處理過的多孔碳紙或碳布)和微孔層組成(電炭黑和憎水劑構(gòu)成)。表1為國產(chǎn)化碳紙與進口商品化碳紙比較,下一步需要建立批量生產(chǎn)設備。

 

表1 國產(chǎn)化碳紙與進口商品化碳紙性能比較

 

除了改進氣體擴散層的導電功能外,近些年對氣體擴散層的傳質(zhì)功能研究也逐漸引起人們重視(圖9)。

 

圖9 具有高孔隙率擴散層的膜電極

 

2.4 膜電極組件(MEA)

 

MEA是集膜、催化層、擴散層于一體的組合件,是燃料電池的核心部件之一(圖10)。

 

圖10 MEA組成示意

 

中國科學院大連化學物理研究所開發(fā)了新型MEA(圖11),達到水平。

 

圖11 新型MEA(a)及性能(b)

 

2.5 雙極板(BP)

 

BP的作用是傳導電子、分配反應氣并帶走生成水。采用的雙極板材料如圖12所示。

 

中國科學院大連化學物理研究所研究了金屬雙極板表面改性技術,提高雙極板的導電、耐腐蝕性(圖13)。

 

圖13 金屬雙極板耐腐蝕與導電性能

 

2.6 燃料電池電堆

 

燃料電池電堆(圖14)是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的核心。

 

圖14 燃料電池電堆結(jié)構(gòu)

 

目前,中國科學院大連化學物理研究所已建立了從材料、MEA、雙極板部件的制備到電堆組裝、測試的完整技術體系,開發(fā)的燃料電池電堆(圖15)。

 

圖15 中國科學院大連化學物理研究所開發(fā)的燃料電池電堆

 

日本豐田燃料電池電堆采用3D流場設計(圖16),使流體產(chǎn)生垂直于催化層的分量,強化了傳質(zhì),降低了傳質(zhì)極化。

 

圖16 Mirai燃料電池流場(a)與電堆(b)

3 燃料電池系統(tǒng)部件

燃料電池包括燃料供應子系統(tǒng)、氧化劑供應子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)及監(jiān)控子系統(tǒng)等,主要系統(tǒng)部件包括空壓機、增濕器、氫氣循環(huán)泵、高壓氫瓶等。

 

3.1 空壓機

 

車載空壓機的任務是提供燃料電池發(fā)電所需要的氧化劑(空氣中的氧氣),常用的空壓機種類有離心式、螺桿式、羅茨式等。目前,空壓機還是瓶頸技術之一,廣東省佛山廣順電器有限公司正在研究空壓機(圖17)。

 

圖17 廣東省佛山廣順電器有限公司開發(fā)的空壓機

 

3.2 增濕器

 

反應氣通過增濕器把燃料電池反應所需的水帶入燃料電池內(nèi)部,常用的增濕器形式包括膜增濕器、焓輪增濕器(圖18)等。目前,發(fā)展趨勢是采用氫氣回流泵帶入反應尾氣的水,系統(tǒng)不需要增濕器部件。

 

圖18 燃料電池增濕器

 

3.3 高壓氫瓶

 

氫瓶主要分為四種類型:全金屬氣瓶(I型)、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶(II型)、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(III型)及非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶(IV型)。上大部分燃料電池汽車采用的都是IV型瓶(圖19)。國內(nèi)目前還沒有IV型高壓氫瓶的相應法規(guī)標準。

 

圖19 70MPa車載儲氫瓶(IV型)

 

除了上述的系統(tǒng)部件外,系統(tǒng)的控制策略也非常重要。可以在現(xiàn)有材料的基礎上通過優(yōu)化控制策略,提高耐久性。