浅析燃料动力锂电池汽车的关键技术

我国燃料动力电池部分技术指标已经达到或超过全球同类商品的水平，与时俱进的你，一定很想了解其中的关键材料与技术。

车用燃料动力电池技术链

燃料动力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。燃料动力电池单电池包括膜电极组件（MEA）、双极板及密封元件等。

与原电池和二次电池不同的是，燃料动力电池发电要有一相对复杂的系统。

燃料动力电池汽车动力链的主流技术为电-电混合模式，平稳运行时依靠燃料动力电池供应动力，要高功率输出时，燃料动力电池与二次电池共同供电，在低载或怠速工况燃料动力电池给二次电池充电。

燃料动力电池汽车动力链组成

典型的燃料动力电池动力系统车，可采用底板布局或前舱布局。

燃料动力电池关键材料与部件

►电催化剂

电催化是燃料动力电池的关键材料之一，其用途促进氢、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。

►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。

►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。如我国科学院大连化学物理研究所制备的[emailprotected]/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。

►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。

►非贵金属催化剂

非贵金属催化剂的研究重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。

►固态电解质膜

车用燃料动力电池中质子交换膜（PEM）是一种固态电解质膜，其用途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。

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。

►气体扩散层（GDL）

GDL位于流场和催化层之间，其用途是支撑催化层、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，下一步要建立批量生产设备。

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。

►膜电极组件（MEA）

MEA是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件，是燃料动力电池的核心部件之一。

我国科学院大连化学物理研究所开发了新型MEA达到国际水平。

►双极板（BP）

BP的用途是传导电子、分配反应气并带走生成水。

我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。

►燃料动力电池电堆

燃料动力电池电堆是燃料动力电池发电系统的核心。

目前，我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、测试的完整技术体系，开发的燃料动力电池电堆。

我国科学院大连化学物理研究所开发的燃料动力电池电堆

日本丰田燃料动力电池电堆采用3D流场设计，使流体出现垂直于催化层的分量，强化了传质，降低了传质极化。

燃料动力电池系统部件

燃料动力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，重要系统部件包括空压机、增湿器、氢气循环泵、高压氢瓶等。

►空压机

车载空压机的任务是供应燃料动力电池发电所要的氧化剂（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。

►增湿器

反应气通过增湿器把燃料动力电池反应所需的水带入燃料动力电池内部，常用的增湿器形式包括膜增湿器、焓轮增湿器等。目前，发展趋势是采用氢气回流泵带入反应尾气的水，系统不要增湿器部件。

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。

结论

燃料动力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。

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