鉅大LARGE | 點擊量：1055次 | 2021年05月15日
淺析燃料動力電池汽車的關鍵技術
我國燃料動力電池部分技術指標已經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。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，燃料動力電池發電要有一相對復雜的系統。
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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
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。
?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。如我國科學院大連化學物理研究所制備的[email protected]/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。
?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。
?固態電解質膜
車用燃料動力電池中質子交換膜（PEM）是一種固態電解質膜，其用途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。
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。
?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，下一步要建立批量生產設備。
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電系統的核心。
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，使流體出現垂直于催化層的分量，強化了傳質，降低了傳質極化。
燃料動力電池系統部件
燃料動力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，重要系統部件包括空壓機、增濕器、氫氣循環泵、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部，常用的增濕器形式包括膜增濕器、焓輪增濕器等。目前，發展趨勢是采用氫氣回流泵帶入反應尾氣的水，系統不要增濕器部件。
除了上述的系統部件外，系統的控制策略也非常重要。可以在現有材料的基礎上通過優化控制策略，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業發展論壇將于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業鏈發展前景與投資機遇，制氫技術與成本分析，我國工業副產氫資源潛力，氫氣提純與雜質脫除技術，氫氣儲存與運輸模式，氫燃料動力電池汽車（FCV）產業基礎設施建設，氫氣儲能系統與大規模可再生能源的整合，氫氣和CO2生產高價值化學品甲醇、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展現狀與市場展望，不同應用場景燃料動力電池系統設計思路，燃料動力電池標準與測試技術，電堆規模化生產的品質控制與智能制造，雙極板、膜電極、質子交換膜、催化劑和氣體擴散層性能優化與成本控制，車用燃料動力電池長周期穩定運行的關鍵因素分析等。
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