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干货 浅析燃料电池汽车的关键技术

发布时间:2018-02-28 来源:未知 作者:admin 浏览次数:



中国燃料电池部分技术指标已经达到或超过全球同类商品的水平,与时俱进的你,一定很想知道其中的关键(解释:比喻事物的重要组成部分)材料与技术。
车用燃料电池(Battery)技术链
燃料电池发电原理与原电池或二次电池相似,电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应,电子通过外电路作功,反应产物为水。燃料电池单电池包括膜电极(electrode)组件、双极板及密封元件等。
▲1 燃料电池(Battery)工作原理
与原电池和二次电池不同的是,燃料电池发电需要有一相对复杂的系统。

▲2 燃料电池系统组成
燃料电池汽车动力(power)链的主流技术为“电-电”混合模式,平稳运行时依靠燃料电池提供动力,需要高功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)输出时,燃料电池与二次电池共同供电,在低载或怠速工况燃料电池给二次电池充电。
▲3 燃料电池汽车动力链组成
典型的燃料电池动力系统车上布局如4所示,可采用底板布局或前舱布局。新能源公交客车您带来最新最全的新能源客车的车型、图片与报价信息,给您展现新能源客车的新闻,报道相关动态。
▲4 燃料电池动力系统车上布局
燃料电池关键材料与部件
电催化剂
电催化是燃料电池的关键材料之一,其作用促进氢、氧在电极上的氧化还原过程。研究新型高稳定(解释:稳固安定;没有变动)、高活性的低Pt或非Pt催化剂是目前的热点。
Pt-M催化剂
Pt-Co/
  C、Pt-Fe/
  C、Pt-i/C等二元合金催化剂,在提高稳定性的同时,也提高质量(Mass)比活性,还降低(reduce)了贵金属的用量。如Che等制备了高活性与高稳定性的电催化剂。
▲5 Pt3i纳米笼结构ORR催化剂形成过程
Pt核壳催化剂
利用非Pt材料为支撑核、表面贵金属为壳的结构,可降低(reduce)Pt用量,提高质量比活性。如中国科学院大连化学物理研究所制备的Pd@Pt/C核壳催化剂,其氧还原活性与稳定(解释:稳固安定;没有变动)性好于商业化Pt/C催化剂。
▲6 PdPt核壳催化剂质量比活性与稳定性与商业化催化剂比较
Pt单原子层催化剂
制备Pt单原子层的核壳结构催化剂是一种有效降低Pt用量、提高Pt利用率,同时改善催化剂的ORR性能的方式。美国国家实验室Adzic的研究组和海交通大学张俊良等在这方面比较活跃。
非贵金属催化剂
非贵金属催化剂的研究主要包括过渡金属原子簇合物、过渡金属螯合物、过渡金属氮化物(nitride)与碳化物等。在这方面,各种杂原子掺杂的纳米碳材料成为研究热点,如掺杂的非贵金属催化剂显示了较好的应用前景。
固态电解质膜
车用燃料电池中质子交换膜是一种固态电解质膜,其作用是隔离燃料与氧化(oxidation)剂、传递质子。新能源汽车展涵盖了国际新能源汽车展,新能源公交客车,新能源物流车,新能源电池,新能源电机与电控系统,。目前(Nowadays)常用的商业化质子交换膜是全氟磺酸膜,其化学式如7所示。
▲7全氟磺酸afio膜的化学结构
▲8 国产膜与进口商品膜燃料电池性能比较
此外,为了提高性能,日趋薄化的质子交换膜耐久性受到考验,于是一系列质膜改性而来的增强复合膜不断被开发出来。
气体扩散层
GDL位于流场和催化层之间,其作用是支撑催化层、稳定电极结构(Structure),并具有质/热/电的传递功能。通常GDL由支撑层和微孔层组成。表1为国产化碳纸与进口商品化碳纸比较,下一步需要建立批量生产(Produce)设备。
表1国产化碳纸与进口商品化碳纸性能(xìng néng)比较
除了改进气体扩散层的导电功能外,近些年对气体扩散层的传质功能研究(research)也逐渐引起人们重视。新能源汽车致力于制造高品质,高可靠性,有良好用户体验的"世界冠军"级别主流智能新能源汽车。
▲9 具有高孔隙率扩散层的膜电极
膜电极组件
MEA是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件,是燃料电池的核心部件之一。
▲10 MEA组成示意
中国科学院大连化学物理研究所开发了新型MEA,达到国际水平。
▲11 新型MEA及性能(b)
双极板
BP的作用是传导电子(Electron)、分配反应气并带走生成水。采用的双极板材料(Material)如12所示。
▲12
中国科学院大连化学物理研究所研究了金属双极板表面改性技术,提高双极板的导电、耐腐蚀性。新能源汽车致力于制造高品质,高可靠性,有良好用户体验的"世界冠军"级别主流智能新能源汽车。
▲13 金属双极板耐腐蚀与导电性能
燃料电池电堆
燃料电池电堆是燃料电池发电系统的核心。
▲14 燃料电池电堆结构
目前,中国科学院大连化学物理研究所已建立了从材料、ME
  A、双极板部件的制备到电堆组合安装、测试的完整技术体系,开发的燃料电池电堆。
▲15 中国科学院大连化学物理研究所开发的燃料电池电堆
日本燃料电池电堆采用3D流场设计,使流体产生垂直于催化层的分量,强化了传质,降低了传质极化。新能源汽车展以“绿色智能驱动未来”为主题。
▲16 Mirai燃料电池流场与电堆
燃料电池系统部件
燃料电池(Battery)包括燃料供应子系统(system)、氧化剂供应子系统、水热管理(guǎn lǐ)子系统及监控子系统等,主要系统部件包括空压机、增湿器、氢气循环(continue)泵、高压氢瓶等。
空压机
车载空压机的任务是提供燃料电池发电所需要的氧化剂,常用的空压机种类有离心式、螺杆式、罗茨式等。
增湿器
反应气通过(tōng guò)增湿器把燃料(fuel)电池(Battery)反应所需的水带入燃料电池内部,常用的增湿器形式包括膜增湿器、焓轮增湿器等。目前,发展趋势是采用氢气回流泵带入反应尾气的水,系统(system)不需要增湿器部件。
▲17 燃料电池增湿器
高压氢瓶
氢瓶主要分为四种类型:全金属气瓶、金属内胆纤维环向缠绕气瓶、金属内胆纤维全缠绕气瓶及非金属内胆纤维全缠绕气瓶。国际上大部分燃料电池汽车采用的都是IV型瓶。国内目前还没有IV型高压氢瓶的相应法规标准。
▲18 70MPa车载储氢瓶
除了上述的系统部件外,系统的控制策略也非常重要。可以在现有材料的基础上通过(tōng guò)优化控制策略,提高耐久性。
结论
燃料电池电动汽车动力性能高、充电快、续驶里程长、接近零排放,是未来新能源汽车的有力竞争者。

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