燃料電池汽車的關鍵技術,這是總結最全的一篇推文!


發布時間:

2022-06-05

燃料電池發電原理與原電池或二次電池相似,電解質隔膜兩側分別發生氫氧化反應與氧還原反應,電子通過外電路作功,反應產物為水(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。

  

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  中國燃料電池部分技術指標已經達到或超過全球同類商品的水平,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。

  一。車用燃料電池技術鏈

  燃料電池發電原理與原電池或二次電池相似,電解質隔膜兩側分別發生氫氧化反應與氧還原反應,電子通過外電路作功,反應產物為水(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。

  

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  圖1 燃料電池工作原理

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

  

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  圖2 燃料電池系統組成

  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。

  

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  圖3 燃料電池汽車動力鏈組成

  典型的燃料電池動力系統車上布局如圖4所示,可采用底板布局或前艙布局。

  

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  圖4 燃料電池動力系統車上布局

  二。燃料電池關鍵材料部位

  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,在提高穩定性的同時,也提高質量比活性,還降低了貴金屬的用量。如Chen等制備了高活性與高穩定性的電催化劑(圖5)。

  

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  圖5 Pt3Ni 納米籠結構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構,可降低Pt用量,提高質量比活性。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,其氧還原活性與穩定性好于商業化Pt/C催化劑(圖6)。

  

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  圖6 Pd Pt 核殼催化劑質量比活性與穩定性與商業化催化劑比較

  2.1.3 Pt單原子層催化劑

  制備Pt單原子層的核殼結構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 固態電解質膜

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

  

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  圖7 全氟磺酸Nafion膜的化學結構

  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,產品的性能達到商品化水平(圖8),但批量生產線還有待進一步建設。

  

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  圖8 國產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,日趨薄化的質子交換膜耐久性受到考驗,于是一系列質膜改性而來的增強復合膜不斷被開發出來。

  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、穩定電極結構,并具有質/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(電炭黑和憎水劑構成)。表1為國產化碳紙與進口商品化碳紙比較,下一步需要建立批量生產設備。

  表1 國產化碳紙與進口商品化碳紙性能比較

  

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  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功能研究也逐漸引起人們重視(圖9)。

  

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  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)。

  

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  圖10 MEA組成示意

  中國科學院大連化學物理研究所開發了新型MEA(圖11),達到國際水平。

  

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  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。

  

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  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)。

  

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  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)是燃料電池發電系統的核心。

  

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  圖14 燃料電池電堆結構

  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,開發的燃料電池電堆(圖15)。

  

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  圖15 中國科學院大連化學物理研究所開發的燃料電池電堆

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

  

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  圖16 Mirai燃料電池流場(a)與電堆(b)

  3 燃料電池系統部件

  燃料電池包括燃料供應子系統、氧化劑供應子系統、水熱管理子系統及監控子系統等,主要系統部件包括空壓機、增濕器、氫氣循環泵、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)。

  

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  圖17 廣東省佛山廣順電器有限公司開發的空壓機

  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,發展趨勢是采用氫氣回流泵帶入反應尾氣的水,系統不需要增濕器部件。

  

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  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)、金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶(II型)、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(III型)及非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(IV型)。國際上大部分燃料電池汽車采用的都是IV型瓶(圖19)。國內目前還沒有IV型高壓氫瓶的相應法規標準。

  

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  圖19 70MPa車載儲氫瓶(IV型)

  除了上述的系統部件外,系統的控制策略也非常重要??梢栽诂F有材料的基礎上通過優化控制策略,提高耐久性。

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