汽車氫燃料動(dòng)力電池高新技術(shù)研究

陳睿煒

摘 要：氫燃料動(dòng)力電池汽車具有充氫時(shí)間短和續(xù)航持久的特點(diǎn)。氫能源車產(chǎn)業(yè)正吸引越來越多的車企。隨著涉及氫能源方面的基礎(chǔ)設(shè)施逐漸完善，以及技術(shù)不斷提升，具備高效率、低污染以及長(zhǎng)續(xù)航等優(yōu)勢(shì)的氫燃料動(dòng)力電池汽車將得到快速發(fā)展，并最終成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)不可或缺的一部分。下面我們就從新能源汽車氫燃料動(dòng)力電池工作原理、汽車氫燃料動(dòng)力電池催化劑、汽車燃料動(dòng)力電池用氫純化等幾個(gè)方面談?wù)勂嚉淙剂蟿?dòng)力電池的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：氫燃料動(dòng)力電池;汽車;催化劑;氫純化

中圖分類號(hào)：U471.23 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-239-03

Abstract：?The hydrogen fuel power battery car has the characteristics of short hydrogen filling time and lasting life. The hydrogen industry is attracting more and more car companies. With the improvement of the infrastructure involved in hydrogen energy and the upgrading of technology， hydrogen fuel-cell vehicles with the advantages of high efficiency， low pollution and long voyage will develop rapidly and eventually become an indispensable part of the new energy industry. Next， we talk about the key technologies of hydrogen fuel power cell from several aspects， such as the working principle of new energy automobile hydrogen fuel power cell， the catalyst of automobile hydrogen fuel power cell， and the purification of hydrogen for automobile fuel power cell.

Keywords： Hydrogen fuel power cell; Automotive; Catalyst; Hydrogen purification

CLC NO.： U471.23??Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）11-239-03

引言

氫燃料動(dòng)力電池汽車具有充氫時(shí)間短和續(xù)航持久的特點(diǎn)。氫燃料動(dòng)力電池汽車產(chǎn)業(yè)正吸引越來越多的車企。聚焦國內(nèi)市場(chǎng)，我國很早就形成了以大學(xué)研究院為主體的氫能源燃料電池研發(fā)機(jī)構(gòu)，并為氫燃料電池汽車應(yīng)用打下了一定基礎(chǔ)。目前，國家在政策層面對(duì)氫燃料動(dòng)力電池汽車給予了大力支持。從長(zhǎng)期來看，隨著燃料電池輔助系統(tǒng)批量制造，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件包括空壓機(jī)、增濕器批量化生產(chǎn)，燃料電池系統(tǒng)成本可以大幅度下降，氫燃料電池汽車成本最終會(huì)和傳統(tǒng)汽車相一致。隨著涉及氫能源方面的基礎(chǔ)設(shè)施逐漸完善，以及技術(shù)不斷提升，具備高效率、低污染以及長(zhǎng)續(xù)航等優(yōu)勢(shì)的氫燃料電池汽車將得到快速發(fā)展，并最終成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。下面我們就著重談?wù)勂嚉淙剂蟿?dòng)力電池的幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)。

1 新能源汽車氫燃料電池工作原理

現(xiàn)今電動(dòng)車一般都會(huì)有裝有不同種類的動(dòng)力電池，不管是任何種類，其本質(zhì)上都是一種儲(chǔ)能裝置。氫燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，將燃料的電化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。它類似于傳統(tǒng)電池一樣也是電化學(xué)發(fā)電裝置，因此被稱為燃料電池。對(duì)應(yīng)的采用氫氣作為燃料的燃料電池就是氫燃料電池。氫燃料電池的電極用特制多孔性材料制成，這是氫燃料電池的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它不僅要為氣體和電解質(zhì)提供較大的接觸面，還要對(duì)電池的化學(xué)反應(yīng)起催化作用?，F(xiàn)在應(yīng)用的氫燃料電池一般都是固體高分子燃料電池，電解質(zhì)為高分子樹脂薄膜即質(zhì)子交換隔膜，這種電池的啟動(dòng)時(shí)間也相對(duì)較短，被廣泛使用。它可以理解為水電解成氫氣和氧氣的逆反應(yīng)，因此反應(yīng)過程既清潔，又高效。氫燃料電池不受傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)采用卡諾循環(huán)42%左右的熱效率限制，氫燃料電池的能量效率可輕松達(dá)到60%以上。氫燃料電池并不像火箭那樣通過氫氣和氧氣燃燒的劇烈反應(yīng)產(chǎn)生動(dòng)能，而是通過催化裝置將氫氣中的自由能釋放出來。氫燃料電池工作原理是氫氣通過燃料電池的正極當(dāng)中的催化劑（鉑）分解成電子和氫離子（質(zhì)子），其中質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)負(fù)極和氧氣反應(yīng)變成水和熱量，對(duì)應(yīng)的電子則從正極通過外電路流向負(fù)極產(chǎn)生電能。對(duì)于氫燃料電池的商用來說，其核心部件是質(zhì)子交換膜。質(zhì)子交換膜能夠?qū)錃庵械碾娮臃蛛x成為質(zhì)子，進(jìn)而從正極交換至負(fù)極和氧氣進(jìn)行反應(yīng)產(chǎn)生水和熱量，而質(zhì)子交換膜的核心就是催化劑，金屬鉑。由于鉑是一種貴金屬，為了推動(dòng)大規(guī)模商用，氫燃料電池一方面必須減少催化劑的用量，另一方面是尋求低成本的替代材料。氫燃料電池其系統(tǒng)組成通常為燃料電池堆、氫氣儲(chǔ)罐、動(dòng)力電池、燃料電池直流升壓轉(zhuǎn)換器、動(dòng)力控制單元和動(dòng)力電機(jī)組成。領(lǐng)先的燃料電池堆的功率密度可達(dá)3.1kW/L，最大輸出功率可達(dá)114kW。由于每個(gè)燃料電池單體輸出電壓只有0.6～0.7V，因此需要配合直流升壓轉(zhuǎn)換器和動(dòng)力電池使用，從而讓電壓可以適配650V高壓，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力電機(jī)。同時(shí)類似動(dòng)力電池需要電池管理系統(tǒng)BMS，燃料電池也需要精密的監(jiān)控管理系統(tǒng)FCMS，通過放電狀態(tài)快速調(diào)整反應(yīng)相關(guān)參數(shù)。為了儲(chǔ)存氫氣，一般采用70MPa高壓液氫儲(chǔ)罐。

2 汽車氫燃料電池催化劑關(guān)鍵技術(shù)研究

氫燃料電池利用氫與氧的化學(xué)變化來產(chǎn)生電力，氫氣會(huì)從燃料電池陽極進(jìn)入，透過陽極催化劑分解成氫離子與電子，之后電子會(huì)經(jīng)由外電路形成電流抵達(dá)陰極，氫氣失去電子后，則會(huì)通過電解質(zhì)到隔壁的陰極;陰極則是氧氣進(jìn)入的地方，氫離子、電子跟氧氣會(huì)在陰極催化劑的幫助下產(chǎn)生反應(yīng)與水。上述過程不會(huì)排放任何廢氣，只會(huì)產(chǎn)生水與熱，因此氫燃料電池被視為化石燃料的替代能源之一，更是備受看好的電動(dòng)車電力來源。但是催化劑鉑十分昂貴，地殼含量較少，是目前氫燃料電池大量應(yīng)用的主要瓶頸，而用其他金屬合金或是化合物來用作催化劑，效能都比不上鉑。因?yàn)楹辖鸫呋瘎┑男阅茈m然剛開始能超越白金，但在使用過程中會(huì)逐漸氧化;若用較便宜的金屬來當(dāng)作催化劑，催化劑劑量得加大，反而讓過多催化劑附著在電極上，降低了電池能量效率。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，過去從來沒有注意過的低導(dǎo)電性材料，例如氮電漿處理過的氧化鉿，不僅能轉(zhuǎn)變成薄膜材料，還能成為高活性、承受強(qiáng)酸的催化劑，或許是個(gè)不錯(cuò)的催化劑鉑替代品。新型鉿薄膜催化劑的效率雖然只有鉑的60%，但其成本僅為鉑的五分之一，且除了能應(yīng)用在氫燃料電池，還可以用于電化學(xué)水分解制氫領(lǐng)域，電解水制氫也是再生能源經(jīng)濟(jì)重要的一環(huán)，該研究具有較大的重要性。

另外，氫燃料電池的發(fā)展面臨許多挑戰(zhàn)，其中一個(gè)關(guān)鍵難題是燃料電池鉑電極的一氧化碳“中毒”問題。當(dāng)下，氫主要來源于甲醇和天然氣等碳?xì)浠衔锏恼羝卣退簹庾儞Q反應(yīng)，由此產(chǎn)生的氫通常含有0.5%至2%的一氧化碳。作為氫燃料電池汽車的“心臟”，燃料電池鉑電極容易被一氧化碳雜質(zhì)氣體“毒害”，導(dǎo)致電池性能下降和壽命縮短，嚴(yán)重阻礙氫燃料電池汽車的推廣。但是，有一種原子級(jí)分散于鉑表面的氫氧化鐵新型催化劑，該催化劑能夠在零下75攝氏度至零上107攝氏度的溫度范圍內(nèi)，100%選擇性地高效去除氫燃料中的微量一氧化碳。該新型催化材料可以為氫燃料電池在頻繁冷啟動(dòng)和連續(xù)運(yùn)行期間提供全時(shí)保護(hù)，避免氫燃料電池受一氧化碳“中毒”?？梢蕴峁┸囕d氫燃料電池的全時(shí)保護(hù)，也可以為工廠高純氫氣制備提供有效手段。

3 汽車燃料電池用氫純化技術(shù)研究

國內(nèi)外很多研究表明，對(duì)燃料電池用氫中含有的雜質(zhì)氣體主要關(guān)注點(diǎn)是硫化物和一氧化碳，因?yàn)榱蚧锖鸵谎趸枷鄬?duì)于氫，與催化劑鉑的吸附性更強(qiáng)，占據(jù)了催化劑表面完成催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)且不容易脫除，造成所謂的催化劑中毒，致氫燃料電池性能大幅下降，甚至完全損壞。針對(duì)氫燃料電池汽車的上述問題，研發(fā)出了“模塊化定向除雜技術(shù)”，運(yùn)用此技術(shù)的氫通過純化后，可以完全滿足燃料電池汽車用氫品質(zhì)的要求，氫氣純度和各項(xiàng)雜質(zhì)含量符合GB/T 37244-2018《質(zhì)子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》標(biāo)準(zhǔn)?！澳K化定向除雜技術(shù)”是根據(jù)雜質(zhì)的組成種類進(jìn)行定向分析，優(yōu)化選擇脫除材料和方法及雜質(zhì)的脫除順序。氫氣中的雜質(zhì)分為三大類：有機(jī)易吸附類（甲醛、甲酸、烴類）、無機(jī)易吸附類（NH3、H2S、SO2、鹵代物）、弱吸附類（O2、N2、CO、Ar），模塊化定向除雜技術(shù)，首先對(duì)原料氫氣進(jìn)行診斷，判斷出其中含有的雜質(zhì)種類及濃度，然后根據(jù)診斷結(jié)果選擇對(duì)應(yīng)的脫除方案。對(duì)于弱吸附類的每種雜質(zhì)都使用專用吸附劑對(duì)應(yīng)脫除，弱吸附類雜質(zhì)脫除后的氫氣中，O2含量小于1ppm，CO含量小于0.1ppm、N2含量小于10ppm，對(duì)于易吸附類雜質(zhì)，則是根據(jù)雜質(zhì)種類或者酸堿性選擇特定的吸附劑或者催化劑，達(dá)到優(yōu)化脫除。模塊化定向除雜技術(shù)具有“兩低一高”的特點(diǎn)，純化后的氫氣有害雜質(zhì)含量低、純化成本低、氫氣收率高，特別適合氫燃料電池行業(yè)對(duì)氫氣的使用要求。模塊化定向除雜技術(shù)的應(yīng)用，為氫燃料電池行業(yè)解決氫氣品質(zhì)、氫氣價(jià)格和氫氣儲(chǔ)運(yùn)三大問題提供了新的途徑，讓燃料電池用氫變得安全、純凈、經(jīng)濟(jì)、多元。

4 結(jié)論

目前全球在面對(duì)能源安全和環(huán)境保護(hù)等壓力下，發(fā)展氫燃料動(dòng)力汽車已成為能源轉(zhuǎn)型共識(shí)。我國氫燃料動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)已初具雛形，但在頂層設(shè)計(jì)、核心技術(shù)、產(chǎn)業(yè)配套方面仍需迎頭趕上。近期，氫燃料動(dòng)力汽車成為各地產(chǎn)業(yè)布局的新亮點(diǎn)，不少地方紛紛推出氫燃料動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃方案，產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷提速。發(fā)展氫燃料動(dòng)力汽車是我國能源轉(zhuǎn)型的重要路徑?？v觀我國以及全球新能源汽車的發(fā)展，氫燃料電池即將進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)化的關(guān)鍵時(shí)刻，國際國內(nèi)有利于氫燃料電池汽車發(fā)展的外部環(huán)境正在逐步形成，氫能燃料電池領(lǐng)域正在成為行業(yè)新的投資熱點(diǎn)。因氫燃料動(dòng)力電池汽車具有充氫時(shí)間短和續(xù)航持久的特點(diǎn)，本文就新能源汽車氫燃料動(dòng)力電池工作原理、汽車氫燃料動(dòng)力電池催化劑、汽車氫燃料

動(dòng)力電池用氫純化等幾個(gè)方面對(duì)汽車氫燃料動(dòng)力電池使用技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，為構(gòu)建全方位的汽車清潔技術(shù)和實(shí)現(xiàn)汽車社會(huì)更加清潔化的目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

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