汽車氫燃料動力電池高新技術研究

陳睿煒

摘 要：氫燃料動力電池汽車具有充氫時間短和續航持久的特點。氫能源車產業正吸引越來越多的車企。隨著涉及氫能源方面的基礎設施逐漸完善，以及技術不斷提升，具備高效率、低污染以及長續航等優勢的氫燃料動力電池汽車將得到快速發展，并最終成為新能源汽車產業不可或缺的一部分。下面我們就從新能源汽車氫燃料動力電池工作原理、汽車氫燃料動力電池催化劑、汽車燃料動力電池用氫純化等幾個方面談談汽車氫燃料動力電池的關鍵技術。

關鍵詞：氫燃料動力電池;汽車;催化劑;氫純化

中圖分類號：U471.23 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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

氫燃料動力電池汽車具有充氫時間短和續航持久的特點。氫燃料動力電池汽車產業正吸引越來越多的車企。聚焦國內市場，我國很早就形成了以大學研究院為主體的氫能源燃料電池研發機構，并為氫燃料電池汽車應用打下了一定基礎。目前，國家在政策層面對氫燃料動力電池汽車給予了大力支持。從長期來看，隨著燃料電池輔助系統批量制造，實現關鍵零部件包括空壓機、增濕器批量化生產，燃料電池系統成本可以大幅度下降，氫燃料電池汽車成本最終會和傳統汽車相一致。隨著涉及氫能源方面的基礎設施逐漸完善，以及技術不斷提升，具備高效率、低污染以及長續航等優勢的氫燃料電池汽車將得到快速發展，并最終成為新能源汽車產業的重要組成部分。下面我們就著重談談汽車氫燃料動力電池的幾點關鍵技術。

1 新能源汽車氫燃料電池工作原理

現今電動車一般都會有裝有不同種類的動力電池，不管是任何種類，其本質上都是一種儲能裝置。氫燃料電池是一種能量轉化裝置，將燃料的電化學能轉化成電能。它類似于傳統電池一樣也是電化學發電裝置，因此被稱為燃料電池。對應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關鍵技術，它不僅要為氣體和電解質提供較大的接觸面，還要對電池的化學反應起催化作用。現在應用的氫燃料電池一般都是固體高分子燃料電池，電解質為高分子樹脂薄膜即質子交換隔膜，這種電池的啟動時間也相對較短，被廣泛使用。它可以理解為水電解成氫氣和氧氣的逆反應，因此反應過程既清潔，又高效。氫燃料電池不受傳統發動機采用卡諾循環42%左右的熱效率限制，氫燃料電池的能量效率可輕松達到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產生動能，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中的催化劑（鉑）分解成電子和氫離子（質子），其中質子通過質子交換膜到達負極和氧氣反應變成水和熱量，對應的電子則從正極通過外電路流向負極產生電能。對于氫燃料電池的商用來說，其核心部件是質子交換膜。質子交換膜能夠將氫氣中的電子分離成為質子，進而從正極交換至負極和氧氣進行反應產生水和熱量，而質子交換膜的核心就是催化劑，金屬鉑。由于鉑是一種貴金屬，為了推動大規模商用，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。氫燃料電池其系統組成通常為燃料電池堆、氫氣儲罐、動力電池、燃料電池直流升壓轉換器、動力控制單元和動力電機組成。領先的燃料電池堆的功率密度可達3.1kW/L，最大輸出功率可達114kW。由于每個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換器和動力電池使用，從而讓電壓可以適配650V高壓，驅動動力電機。同時類似動力電池需要電池管理系統BMS，燃料電池也需要精密的監控管理系統FCMS，通過放電狀態快速調整反應相關參數。為了儲存氫氣，一般采用70MPa高壓液氫儲罐。

2 汽車氫燃料電池催化劑關鍵技術研究

氫燃料電池利用氫與氧的化學變化來產生電力，氫氣會從燃料電池陽極進入，透過陽極催化劑分解成氫離子與電子，之后電子會經由外電路形成電流抵達陰極，氫氣失去電子后，則會通過電解質到隔壁的陰極;陰極則是氧氣進入的地方，氫離子、電子跟氧氣會在陰極催化劑的幫助下產生反應與水。上述過程不會排放任何廢氣，只會產生水與熱，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。因為合金催化劑的性能雖然剛開始能超越白金，但在使用過程中會逐漸氧化;若用較便宜的金屬來當作催化劑，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。經研究發現，過去從來沒有注意過的低導電性材料，例如氮電漿處理過的氧化鉿，不僅能轉變成薄膜材料，還能成為高活性、承受強酸的催化劑，或許是個不錯的催化劑鉑替代品。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，且除了能應用在氫燃料電池，還可以用于電化學水分解制氫領域，電解水制氫也是再生能源經濟重要的一環，該研究具有較大的重要性。

另外，氫燃料電池的發展面臨許多挑戰，其中一個關鍵難題是燃料電池鉑電極的一氧化碳“中毒”問題。當下，氫主要來源于甲醇和天然氣等碳氫化合物的蒸汽重整和水煤氣變換反應，由此產生的氫通常含有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氣體“毒害”，導致電池性能下降和壽命縮短，嚴重阻礙氫燃料電池汽車的推廣。但是，有一種原子級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，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和連續運行期間提供全時保護，避免氫燃料電池受一氧化碳“中毒”。可以提供車載氫燃料電池的全時保護，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研究

國內外很多研究表明，對燃料電池用氫中含有的雜質氣體主要關注點是硫化物和一氧化碳，因為硫化物和一氧化碳相對于氫，與催化劑鉑的吸附性更強，占據了催化劑表面完成催化反應的活性位點且不容易脫除，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。針對氫燃料電池汽車的上述問題，研發出了“模塊化定向除雜技術”，運用此技術的氫通過純化后，可以完全滿足燃料電池汽車用氫品質的要求，氫氣純度和各項雜質含量符合GB/T 37244-2018《質子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣》標準。“模塊化定向除雜技術”是根據雜質的組成種類進行定向分析，優化選擇脫除材料和方法及雜質的脫除順序。氫氣中的雜質分為三大類：有機易吸附類（甲醛、甲酸、烴類）、無機易吸附類（NH3、H2S、SO2、鹵代物）、弱吸附類（O2、N2、CO、Ar），模塊化定向除雜技術，首先對原料氫氣進行診斷，判斷出其中含有的雜質種類及濃度，然后根據診斷結果選擇對應的脫除方案。對于弱吸附類的每種雜質都使用專用吸附劑對應脫除，弱吸附類雜質脫除后的氫氣中，O2含量小于1ppm，CO含量小于0.1ppm、N2含量小于10ppm，對于易吸附類雜質，則是根據雜質種類或者酸堿性選擇特定的吸附劑或者催化劑，達到優化脫除。模塊化定向除雜技術具有“兩低一高”的特點，純化后的氫氣有害雜質含量低、純化成本低、氫氣收率高，特別適合氫燃料電池行業對氫氣的使用要求。模塊化定向除雜技術的應用，為氫燃料電池行業解決氫氣品質、氫氣價格和氫氣儲運三大問題提供了新的途徑，讓燃料電池用氫變得安全、純凈、經濟、多元。

4 結論

目前全球在面對能源安全和環境保護等壓力下，發展氫燃料動力汽車已成為能源轉型共識。我國氫燃料動力汽車產業已初具雛形，但在頂層設計、核心技術、產業配套方面仍需迎頭趕上。近期，氫燃料動力汽車成為各地產業布局的新亮點，不少地方紛紛推出氫燃料動力汽車產業規劃方案，產業發展不斷提速。發展氫燃料動力汽車是我國能源轉型的重要路徑。縱觀我國以及全球新能源汽車的發展，氫燃料電池即將進入產業化、市場化的關鍵時刻，國際國內有利于氫燃料電池汽車發展的外部環境正在逐步形成，氫能燃料電池領域正在成為行業新的投資熱點。因氫燃料動力電池汽車具有充氫時間短和續航持久的特點，本文就新能源汽車氫燃料動力電池工作原理、汽車氫燃料動力電池催化劑、汽車氫燃料

動力電池用氫純化等幾個方面對汽車氫燃料動力電池使用技術進行了詳細的研究，為構建全方位的汽車清潔技術和實現汽車社會更加清潔化的目標做出貢獻。

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