汽车氢燃料动力电池高新技术研究

陈睿炜

摘 要：氢燃料动力电池汽车具有充氢时间短和续航持久的特点。氢能源车产业正吸引越来越多的车企。随着涉及氢能源方面的基础设施逐渐完善，以及技术不断提升，具备高效率、低污染以及长续航等优势的氢燃料动力电池汽车将得到快速发展，并最终成为新能源汽车产业不可或缺的一部分。下面我们就从新能源汽车氢燃料动力电池工作原理、汽车氢燃料动力电池催化剂、汽车燃料动力电池用氢纯化等几个方面谈谈汽车氢燃料动力电池的关键技术。

关键词：氢燃料动力电池;汽车;催化剂;氫纯化

中图分类号：U471.23  文献标识码：A  文章编号：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

氢燃料动力电池汽车具有充氢时间短和续航持久的特点。氢燃料动力电池汽车产业正吸引越来越多的车企。聚焦国内市场，我国很早就形成了以大学研究院为主体的氢能源燃料电池研发机构，并为氢燃料电池汽车应用打下了一定基础。目前，国家在政策层面对氢燃料动力电池汽车给予了大力支持。从长期来看，随着燃料电池辅助系统批量制造，实现关键零部件包括空压机、增湿器批量化生产，燃料电池系统成本可以大幅度下降，氢燃料电池汽车成本最终会和传统汽车相一致。随着涉及氢能源方面的基础设施逐渐完善，以及技术不断提升，具备高效率、低污染以及长续航等优势的氢燃料电池汽车将得到快速发展，并最终成为新能源汽车产业的重要组成部分。下面我们就着重谈谈汽车氢燃料动力电池的几点关键技术。

1 新能源汽车氢燃料电池工作原理

现今电动车一般都会有装有不同种类的动力电池，不管是任何种类，其本质上都是一种储能装置。氢燃料电池是一种能量转化装置，将燃料的电化学能转化成电能。它类似于传统电池一样也是电化学发电装置，因此被称为燃料电池。对应的采用氢气作为燃料的燃料电池就是氢燃料电池。氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。现在应用的氢燃料电池一般都是固体高分子燃料电池，电解质为高分子树脂薄膜即质子交换隔膜，这种电池的启动时间也相对较短，被广泛使用。它可以理解为水电解成氢气和氧气的逆反应，因此反应过程既清洁，又高效。氢燃料电池不受传统发动机采用卡诺循环42%左右的热效率限制，氢燃料电池的能量效率可轻松达到60%以上。氢燃料电池并不像火箭那样通过氢气和氧气燃烧的剧烈反应产生动能，而是通过催化装置将氢气中的自由能释放出来。氢燃料电池工作原理是氢气通过燃料电池的正极当中的催化剂（铂）分解成电子和氢离子（质子），其中质子通过质子交换膜到达负极和氧气反应变成水和热量，对应的电子则从正极通过外电路流向负极产生电能。对于氢燃料电池的商用来说，其核心部件是质子交换膜。质子交换膜能够将氢气中的电子分离成为质子，进而从正极交换至负极和氧气进行反应产生水和热量，而质子交换膜的核心就是催化剂，金属铂。由于铂是一种贵金属，为了推动大规模商用，氢燃料电池一方面必须减少催化剂的用量，另一方面是寻求低成本的替代材料。氢燃料电池其系统组成通常为燃料电池堆、氢气储罐、动力电池、燃料电池直流升压转换器、动力控制单元和动力电机组成。领先的燃料电池堆的功率密度可达3.1kW/L，最大输出功率可达114kW。由于每个燃料电池单体输出电压只有0.6～0.7V，因此需要配合直流升压转换器和动力电池使用，从而让电压可以适配650V高压，驱动动力电机。同时类似动力电池需要电池管理系统BMS，燃料电池也需要精密的监控管理系统FCMS，通过放电状态快速调整反应相关参数。为了储存氢气，一般采用70MPa高压液氢储罐。

2 汽车氢燃料电池催化剂关键技术研究

氢燃料电池利用氢与氧的化学变化来产生电力，氢气会从燃料电池阳极进入，透过阳极催化剂分解成氢离子与电子，之后电子会经由外电路形成电流抵达阴极，氢气失去电子后，则会通过电解质到隔壁的阴极;阴极则是氧气进入的地方，氢离子、电子跟氧气会在阴极催化剂的帮助下产生反应与水。上述过程不会排放任何废气，只会产生水与热，因此氢燃料电池被视为化石燃料的替代能源之一，更是备受看好的电动车电力来源。但是催化剂铂十分昂贵，地壳含量较少，是目前氢燃料电池大量应用的主要瓶颈，而用其他金属合金或是化合物来用作催化剂，效能都比不上铂。因为合金催化剂的性能虽然刚开始能超越白金，但在使用过程中会逐渐氧化;若用较便宜的金属来当作催化剂，催化剂剂量得加大，反而让过多催化剂附著在电极上，降低了电池能量效率。经研究发现，过去从来没有注意过的低导电性材料，例如氮电浆处理过的氧化铪，不仅能转变成薄膜材料，还能成为高活性、承受强酸的催化剂，或许是个不错的催化剂铂替代品。新型铪薄膜催化剂的效率虽然只有铂的60%，但其成本仅为铂的五分之一，且除了能应用在氢燃料电池，还可以用于电化学水分解制氢领域，电解水制氢也是再生能源经济重要的一环，该研究具有较大的重要性。

另外，氢燃料电池的发展面临许多挑战，其中一个关键难题是燃料电池铂电极的一氧化碳“中毒”问题。当下，氢主要来源于甲醇和天然气等碳氢化合物的蒸汽重整和水煤气变换反应，由此產生的氢通常含有0.5%至2%的一氧化碳。作为氢燃料电池汽车的“心脏”，燃料电池铂电极容易被一氧化碳杂质气体“毒害”，导致电池性能下降和寿命缩短，严重阻碍氢燃料电池汽车的推广。但是，有一种原子级分散于铂表面的氢氧化铁新型催化剂，该催化剂能够在零下75摄氏度至零上107摄氏度的温度范围内，100%选择性地高效去除氢燃料中的微量一氧化碳。该新型催化材料可以为氢燃料电池在频繁冷启动和连续运行期间提供全时保护，避免氢燃料电池受一氧化碳“中毒”。可以提供车载氢燃料电池的全时保护，也可以为工厂高纯氢气制备提供有效手段。

3 汽车燃料电池用氢纯化技术研究

国内外很多研究表明，对燃料电池用氢中含有的杂质气体主要关注点是硫化物和一氧化碳，因为硫化物和一氧化碳相对于氢，与催化剂铂的吸附性更强，占据了催化剂表面完成催化反应的活性位点且不容易脱除，造成所谓的催化剂中毒，致氢燃料电池性能大幅下降，甚至完全损坏。针对氢燃料电池汽车的上述问题，研发出了“模块化定向除杂技术”，运用此技术的氢通过纯化后，可以完全满足燃料电池汽车用氢品质的要求，氢气纯度和各项杂质含量符合GB/T 37244-2018《质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气》标准。“模块化定向除杂技术”是根据杂质的组成种类进行定向分析，优化选择脱除材料和方法及杂质的脱除顺序。氢气中的杂质分为三大类：有机易吸附类（甲醛、甲酸、烃类）、无机易吸附类（NH3、H2S、SO2、卤代物）、弱吸附类（O2、N2、CO、Ar），模块化定向除杂技术，首先对原料氢气进行诊断，判断出其中含有的杂质种类及浓度，然后根据诊断结果选择对应的脱除方案。对于弱吸附类的每种杂质都使用专用吸附剂对应脱除，弱吸附类杂质脱除后的氢气中，O2含量小于1ppm，CO含量小于0.1ppm、N2含量小于10ppm，对于易吸附类杂质，则是根据杂质种类或者酸碱性选择特定的吸附剂或者催化剂，达到优化脱除。模块化定向除杂技术具有“两低一高”的特点，纯化后的氢气有害杂质含量低、纯化成本低、氢气收率高，特别适合氢燃料电池行业对氢气的使用要求。模块化定向除杂技术的应用，为氢燃料电池行业解决氢气品质、氢气价格和氢气储运三大问题提供了新的途径，让燃料电池用氢变得安全、纯净、经济、多元。

4 结论

目前全球在面对能源安全和环境保护等压力下，发展氢燃料动力汽车已成为能源转型共识。我国氢燃料动力汽车产业已初具雏形，但在顶层设计、核心技术、产业配套方面仍需迎头赶上。近期，氢燃料动力汽车成为各地产业布局的新亮点，不少地方纷纷推出氢燃料动力汽车产业规划方案，产业发展不断提速。发展氢燃料动力汽车是我国能源转型的重要路径。纵观我国以及全球新能源汽车的发展，氢燃料电池即将进入产业化、市场化的关键时刻，国际国内有利于氢燃料电池汽车发展的外部环境正在逐步形成，氢能燃料电池领域正在成为行业新的投资热点。因氢燃料动力电池汽车具有充氢时间短和续航持久的特点，本文就新能源汽车氢燃料动力电池工作原理、汽车氢燃料动力电池催化剂、汽车氢燃料

动力电池用氢纯化等几个方面对汽车氢燃料动力电池使用技术进行了详细的研究，为构建全方位的汽车清洁技术和实现汽车社会更加清洁化的目标做出贡献。

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