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淺析燃料動力鋰電池汽車的關(guān)鍵技術(shù)

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2024年01月05日  

我國燃料動力電池部分技術(shù)指標已經(jīng)達到或超過全球同類商品的水平,與時俱進的你,一定很想了解其中的關(guān)鍵材料與技術(shù)。


車用燃料動力電池技術(shù)鏈


燃料動力電池發(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(yīng)與氧還原反應(yīng),電子通過外電路作功,反應(yīng)產(chǎn)物為水。燃料動力電池單電池包括膜電極組件(MEA)、雙極板及密封元件等。


與原電池和二次電池不同的是,燃料動力電池發(fā)電要有一相對復(fù)雜的系統(tǒng)。


燃料動力電池汽車動力鏈的主流技術(shù)為電-電混合模式,平穩(wěn)運行時依靠燃料動力電池供應(yīng)動力,要高功率輸出時,燃料動力電池與二次電池共同供電,在低載或怠速工況燃料動力電池給二次電池充電。


燃料動力電池汽車動力鏈組成


典型的燃料動力電池動力系統(tǒng)車,可采用底板布局或前艙布局。


燃料動力電池關(guān)鍵材料與部件


?電催化劑


電催化是燃料動力電池的關(guān)鍵材料之一,其用途促進氫、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。


?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。


?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。如我國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所制備的[emailprotected]/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。


?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(xué)張俊良等在這方面比較活躍。


?非貴金屬催化劑


非貴金屬催化劑的研究重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(yīng)用前景。


?固態(tài)電解質(zhì)膜


車用燃料動力電池中質(zhì)子交換膜(PEM)是一種固態(tài)電解質(zhì)膜,其用途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。


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(fù)合膜不斷被開發(fā)出來。


?氣體擴散層(GDL)


GDL位于流場和催化層之間,其用途是支撐催化層、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,下一步要建立批量生產(chǎn)設(shè)備。


除了改進氣體擴散層的導(dǎo)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。


?膜電極組件(MEA)


MEA是集膜、催化層、擴散層于一體的組合件,是燃料動力電池的核心部件之一。


我國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開發(fā)了新型MEA達到國際水平。


?雙極板(BP)


BP的用途是傳導(dǎo)電子、分配反應(yīng)氣并帶走生成水。


我國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究了金屬雙極板表面改性技術(shù),提高雙極板的導(dǎo)電、耐腐蝕性。


?燃料動力電池電堆


燃料動力電池電堆是燃料動力電池發(fā)電系統(tǒng)的核心。


目前,我國科學(xué)院大連化學(xué)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(shù)體系,開發(fā)的燃料動力電池電堆。


我國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開發(fā)的燃料動力電池電堆


日本豐田燃料動力電池電堆采用3D流場設(shè)計,使流體出現(xiàn)垂直于催化層的分量,強化了傳質(zhì),降低了傳質(zhì)極化。


燃料動力電池系統(tǒng)部件


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


?空壓機


車載空壓機的任務(wù)是供應(yīng)燃料動力電池發(fā)電所要的氧化劑(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。


?增濕器


反應(yīng)氣通過增濕器把燃料動力電池反應(yīng)所需的水帶入燃料動力電池內(nèi)部,常用的增濕器形式包括膜增濕器、焓輪增濕器等。目前,發(fā)展趨勢是采用氫氣回流泵帶入反應(yīng)尾氣的水,系統(tǒng)不要增濕器部件。


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(chǔ)上通過優(yōu)化控制策略,提高耐久性。


結(jié)論


燃料動力電池電動汽車動力性能高、充電快、續(xù)駛里程長、接近零排放,是未來新能源汽車的有力競爭者。


2018我國氫資源與氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇將于2018年九月18-十九日在遼寧大連召開。會議將探討全球與我國氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展前景與投資機遇,制氫技術(shù)與成本分析,我國工業(yè)副產(chǎn)氫資源潛力,氫氣提純與雜質(zhì)脫除技術(shù),氫氣儲存與運輸模式,氫燃料動力電池汽車(FCV)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),氫氣儲能系統(tǒng)與大規(guī)模可再生能源的整合,氫氣和CO2生產(chǎn)高價值化學(xué)品甲醇、烯烴和芳烴等。


2018我國燃料動力電池、雙極板與膜電極關(guān)鍵材料論壇將于九月19-二十日在遼寧大連召開。會議將探討全球與我國燃料動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與市場展望,不同應(yīng)用場景燃料動力電池系統(tǒng)設(shè)計思路,燃料動力電池標準與測試技術(shù),電堆規(guī)模化生產(chǎn)的品質(zhì)控制與智能制造,雙極板、膜電極、質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴散層性能優(yōu)化與成本控制,車用燃料動力電池長周期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素分析等。


相關(guān)產(chǎn)品

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