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燃料电池技术系统简介

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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。

1 燃料电池技术

燃料电池发电原理是电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应,反应产物为水(图1)。燃料电池单电池的组成包括膜电极组件、双极板及密封元件等。

图1 工作原理

与其他电池不同的是,支撑燃料电池发电还需要发电系统的参与(图2)。

图2 燃料电池组成

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。

图3 燃料电池动力链组成
     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。


图4 燃料电池车上布局

2 关键材料与部件

      2.1 电催化剂

     燃料电池的关键材料之--电催化剂,其作用促进氢、氧在电极上的氧化还原过程。科学家目前所研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂是燃料电池科研方向的热点和难点。

       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,既提高稳定性又提高质量比活性,并且还减少贵金属的使用。(图5)。


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

Pt核壳催化剂技术利用非Pt材料为支撑核、外贵金属为壳的结构,可降低Pt用量,提高质量比活性。如中国研究人员制备的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)。

图6 Pd Pt 核壳催化剂商业化催化剂

2.2 固态电解质膜

燃料电池中PEM(质子交换膜)是常见的固态电解质膜,目的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。

图7 全氟磺酸Nafion膜的化学结构

下图是东岳公司研发的全氟离子交换树脂和含氟功能材料,产品的性能达到商品化水平(图8)。

图8 国产膜与进口商品膜燃料电池性能比较

除此之外,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)

气体扩散层位于流场和催化层之间,支撑催化层、稳定电极结构,具有质/热/电的传递功能。通常气体扩散层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。

表1 国产化碳纸与进口商品化碳纸性能比较

当然,除此之外,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)。

图9 膜电极

2.4 膜电极组件(MEA)

膜电极组件是集膜、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)。

图10 MEA组成

在中国科学院大连化学物理研究所开发生产的新型MEA(图11),其性能可以达到国际水平。

图11 MEA(a)及性能(b)

2.5 双极板(BP)

双极板传导电子、分配反应气并带走生成的水。采用的双极板材料如图12所示。

图12 双极板材料

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)。

图13 双极板耐腐蚀与导电性能

2.6 反应电堆

燃料电池的反应电堆(图14)是燃料电池发电系统的核心。

图14 电堆结构

目前,我国已建立了从材料、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)。

图15 我国开发的燃料电池电堆

丰田汽车燃料电池电堆采用的是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,如下图所示。

图16 Mirai燃料电池流场(a)与电堆(b)

3 系统部件

燃料电池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

空压机的作用是提取发电所需要的氧化剂,常用的空压机有离心式、螺杆式、罗茨式等。当前,空压机还是燃料电池的技术难点之一,下图为空压机.

图17 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。

图18 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)。

图19 车载储氢瓶(IV型)

当前,燃料电池的发展也在与时俱进,国内外的科研机构和专家学者也很多在攻坚燃料电池的技术难点.国内外的主机厂如丰田,奇瑞等也开发出其燃料电池汽车,但由于成本原因,还未能批量生产.相信,在未来,当其关键技术有重大突破时,或许燃料电池也会成为替代燃油车的另一个切实可行的方案。

来源:微信公众号汽车电子联盟

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