燃料电池汽车的关键技术,这是总结最全的一篇推文!


发布时间:

2022-06-05

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(图1)。燃料电池单电池包括膜电极组件(MEA)、双极板及密封元件等。

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  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,未来燃料电池汽车可能满地跑啦。与时俱进的你,一定很想知道其中的关键材料与技术。

  一。车用燃料电池技术链

  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(图1)。燃料电池单电池包括膜电极组件(MEA)、双极板及密封元件等。

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  图1 燃料电池工作原理

  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(图2)。

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  图2 燃料电池系统组成

  燃料电池汽车动力链的主流技术为“电-电”混合模式(图3),平稳运行时依靠燃料电池提供动力,需要高功率输出时,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。

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  图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图4所示,可采用底板布局或前舱布局。

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  图4 燃料电池动力系统车上布局

  二。燃料电池关键材料部位

  2.1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、高活性的低Pt或非Pt催化剂是目前的热点。

  2.1.1 Pt-M催化剂

  Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C等二元合金催化剂,在提高稳定性的同时,也提高质量比活性,还降低了贵金属的用量。如Chen等制备了高活性与高稳定性的电催化剂(图5)。

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  图5 Pt3Ni 纳米笼结构ORR 催化剂形成过程

  2.1.2 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性好于商业化Pt/C催化剂(图6)。

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  图6 Pd Pt 核壳催化剂质量比活性与稳定性与商业化催化剂比较

  2.1.3 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。

  2.1.4 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N掺杂的非贵金属催化剂显示了较好的应用前景。

  2.2 固态电解质膜

  车用燃料电池中质子交换膜(PEM)是一种固态电解质膜,其作用是隔离燃料与氧化剂、传递质子(H+)。目前常用的商业化质子交换膜是全氟磺酸膜,其化学式如图7所示。

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  图7 全氟磺酸Nafion膜的化学结构

  山东东岳集团长期致力于全氟离子交换树脂和含氟功能材料的研发,产品的性能达到商品化水平(图8),但批量生产线还有待进一步建设。

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  图8 国产膜与进口商品膜燃料电池性能比较(东岳公司提供)

  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。

  2.3 气体扩散层(GDL)

  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,并具有质/热/电的传递功能。通常GDL由支撑层(憎水处理过的多孔碳纸或碳布)和微孔层组成(电炭黑和憎水剂构成)。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设备。

  表1 国产化碳纸与进口商品化碳纸性能比较

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  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也逐渐引起人们重视(图9)。

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  图9 具有高孔隙率扩散层的膜电极

  2.4 膜电极组件(MEA)

  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(图10)。

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  图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(图11),达到国际水平。

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  图11 新型MEA(a)及性能(b)

  2.5 双极板(BP)

  BP的作用是传导电子、分配反应气并带走生成水。采用的双极板材料如图12所示。

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  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(图13)。

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  图13 金属双极板耐腐蚀与导电性能

  2.6 燃料电池电堆

  燃料电池电堆(图14)是燃料电池发电系统的核心。

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  图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、MEA、双极板部件的制备到电堆组装、测试的完整技术体系,开发的燃料电池电堆(图15)。

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  图15 中国科学院大连化学物理研究所开发的燃料电池电堆

  日本丰田燃料电池电堆采用3D流场设计(图16),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。

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  图16 Mirai燃料电池流场(a)与电堆(b)

  3 燃料电池系统部件

  燃料电池包括燃料供应子系统、氧化剂供应子系统、水热管理子系统及监控子系统等,主要系统部件包括空压机、增湿器、氢气循环泵、高压氢瓶等。

  3.1 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(空气中的氧气),常用的空压机种类有离心式、螺杆式、罗茨式等。目前,空压机还是瓶颈技术之一,广东省佛山广顺电器有限公司正在研究空压机(图17)。

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  图17 广东省佛山广顺电器有限公司开发的空压机

  3.2 增湿器

  反应气通过增湿器把燃料电池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(图18)等。目前,发展趋势是采用氢气回流泵带入反应尾气的水,系统不需要增湿器部件。

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  图18 燃料电池增湿器

  3.3 高压氢瓶

  氢瓶主要分为四种类型:全金属气瓶(I型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(II型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(III型)及非金属内胆纤维全缠绕气瓶(IV型)。国际上大部分燃料电池汽车采用的都是IV型瓶(图19)。国内目前还没有IV型高压氢瓶的相应法规标准。

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  图19 70MPa车载储氢瓶(IV型)

  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优化控制策略,提高耐久性。

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