关于燃料电池汽车的关键威廉希尔官方网站 分析介绍

导读：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（图1）。燃料电池单电池包括膜电极组件（MEA）、双极板及密封元件等。

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1 车用燃料电池威廉希尔官方网站 链

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（图1）。燃料电池单电池包括膜电极组件（MEA）、双极板及密封元件等。

图1 燃料电池工作原理

与原电池和二次电池不同的是，燃料电池发电需要有一相对复杂的系统（图2）。

图2 燃料电池系统组成

燃料电池汽车动力链的主流威廉希尔官方网站 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 燃料电池汽车动力链组成

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 燃料电池动力系统车上布局

2 燃料电池关键材料与部件

2.1电催化剂

电催化是燃料电池的关键材料之一，其作用促进氢、氧在电极上的氧化还原过程。研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂是目前的热点。

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，在提高稳定性的同时，也提高质量比活性，还降低了贵金属的用量。如Chen等制备了高活性与高稳定性的电催化剂（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

利用非Pt材料为支撑核、表面贵金属为壳的结构，可降低Pt用量，提高质量比活性。如中国科学院大连化学物理研究所制备的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 PdPt核壳催化剂质量比活性与稳定性与商业化催化剂比较

2.1.3 Pt单原子层催化剂

制备Pt单原子层的核壳结构催化剂是一种有效降低Pt用量、提高Pt利用率，同时改善催化剂的ORR性能的方式。美国国家实验室Adzic的研究组和海交通大学张俊良等在这方面比较活跃。

2.1.4 非贵金属催化剂

非贵金属催化剂的研究主要包括过渡金属原子簇合物、过渡金属螯合物、过渡金属氮化物与碳化物等。在这方面，各种杂原子掺杂的纳米碳材料成为研究热点，如N掺杂的非贵金属催化剂显示了较好的应用前景。

2.2 固态电解质膜

车用燃料电池中质子交换膜（PEM）是一种固态电解质膜，其作用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

图8 国产膜与进口商品膜燃料电池性能比较

此外，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）

GDL位于流场和催化层之间，其作用是支撑催化层、稳定电极结构，并具有质/热/电的传递功能。通常GDL由支撑层（憎水处理过的多孔碳纸或碳布）和微孔层组成（电炭黑和憎水剂构成）。表1为国产化碳纸与进口商品化碳纸比较，下一步需要建立批量生产设备。

表1 国产化碳纸与进口商品化碳纸性能比较

除了改进气体扩散层的导电功能外，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 具有高孔隙率扩散层的膜电极

2.4 膜电极组件（MEA）

MEA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组成示意图

图11 新型MEA（a）及性能(b)

2.5 双极板（BP）

BP的作用是传导电子、分配反应气并带走生成水。采用的双极板材料如图12所示。

图12双极板

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威廉希尔官方网站 ，提高双极板的导电、耐腐蚀性（图13）。

图13 金属双极板耐腐蚀与导电性能

2.6 燃料电池电堆

燃料电池电堆（图14）是燃料电池发电系统的核心。

图14 燃料电池电堆结构

目前，中国科学院大连化学物理研究所已建立了从材料、MEA、双极板部件的制备到电堆组装、测试的完整威廉希尔官方网站 体系，开发的燃料电池电堆（图15）。

图15 中国科学院大连化学物理研究所开发的燃料电池电堆

日本丰田燃料电池电堆采用3D流场设计（图16），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。

图16 Mirai燃料电池流场（a）与电堆（b）

3 燃料电池系统部件

燃料电池包括燃料供应子系统、氧化剂供应子系统、水热管理子系统及监控子系统等，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

车载空压机的任务是提供燃料电池发电所需要的氧化剂（空气中的氧气），常用的空压机种类有离心式、螺杆式、罗茨式等。目前，空压机还是瓶颈威廉希尔官方网站 之一，广东省佛山广顺电器有限公司正在研究空压机（图17）。

图17 广东省佛山广顺电器有限公司开发的空压机

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。目前，发展趋势是采用氢气回流泵带入反应尾气的水，系统不需要增湿器部件。

图18 燃料电池增湿器

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）。国际上大部分燃料电池汽车采用的都是IV型瓶（图19）。国内目前还没有IV型高压氢瓶的相应法规标准。

图19 70MPa车载储氢瓶（IV型）

除了上述的系统部件外，系统的控制策略也非常重要。可以在现有材料的基础上通过优化控制策略，提高耐久性。

4 结论

燃料电池电动汽车动力性能高、充电快、续驶里程长、接近零排放，是未来新能源汽车的有力竞争者。