淺析燃料動力鋰電池汽車的關鍵技術-瑞達國際集團

　　我國燃料動力電池部分技術指標已經(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鍵材料與技術。

　　車用燃料動力電池技術鏈

　　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。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)電要有一相對復雜的系統(tǒng)。

　　燃料動力電池汽車動力鏈的主流技術為電-電混合模式，平穩(wěn)運行時依靠燃料動力電池供應動力，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。

　　燃料動力電池關鍵材料與部件

　　?電催化劑

　　電催化是燃料動力電池的關鍵材料之一，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構，可降低Pt用量，提高質(zhì)量比活性。如我國科學院大連化學物理研究所制備的[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。

　　?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)定電極結構，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)設備。

　　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。

　　?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。

　　我國科學院大連化學物理研究所開發(fā)了新型MEA達到國際水平。

　　?雙極板(BP)

　　BP的用途是傳導電子、分配反應氣并帶走生成水。

　　我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。

　　?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)的燃料動力電池電堆。

　　我國科學院大連化學物理研究所開發(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，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

　　車載空壓機的任務是供應燃料動力電池發(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

　　反應氣通過增濕器把燃料動力電池反應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?？梢栽诂F(xiàn)有材料的基礎上通過優(yōu)化控制策略，提高耐久性。

　　結論

　　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。

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