「重要分享」战略研究丨提高汽车燃料电池电堆比功率的技术途径探讨-育婴早教-达如阁母婴用品

本文发表于中国工程院学术期刊《中国工程科学》2019年第3期。

作者侯明、邵志刚、易宝莲

编者注

燃料电池汽车是新能源汽车的一种，因其续驶里程长、输出性能高、燃料充电速度快、与新能源和可再生能源兼容等优点而受到越来越多的关注。商业应用。

中国工程院教授易宝莲领导的科研团队在中国工程学会期刊《中国工程科学》上发表论文指出，燃料电池电堆是燃料电池的核心细胞车辆，而堆栈的具体输出是技能水平的重要指标。提高电堆的比输出不仅可以提高车辆的输出性能，而且在相同输出下还可以显着降低燃料电池硬件的成本。本文从高活性催化剂、强化复合质子交换膜、高扰动流场、导电耐腐蚀薄金属双极板、电堆组装及一致性等方面探讨了提高燃料电池电堆比功率的技术方法。基于理论和实践积累，分析燃料电池活化极化、欧姆极化和传质极化与材料、部件和组件之间的相关性，为进一步提高燃料电池电堆性能和比功率提供方向性标准。

一，

前言

交通运输在能源消耗和碳排放方面发挥着重要作用，也是石油消耗增加的关键驱动因素。发展节能、环保的新能源汽车不仅可以减少石油进口、减少碳排放，还可以实现我国汽车产业的转型升级。燃料电池汽车是新能源汽车的一种，由于其续驶里程长、燃料充电时间短、与可再生能源兼容等优点，在政府、企业和研究机构中的价值不断提高。

世界各国政府纷纷推出激励和财政补贴政策，推动燃料电池汽车主要市场的形成。燃料电池汽车正逐步从大规模示范向商业运营过渡。首批商用燃料电池汽车，以丰田Mirai、本田Clarity、现代Nexo为代表，在性能上已达到传统燃料电池汽车的水平，乘用车燃料电池汽车的输出水平一般在100kW左右，商用车燃料电池输出功率为30kW~200kW。上汽大通汽车有限公司的FCV80汽车是在韩国销售的首款燃料电池汽车。从功率水平来看，国内汽车燃料电池电堆主要以30-50kW为主，从表面上看，功率水平普遍低于企业在资金上与之竞争的同类燃料电池汽车。它是一个补贴参考点，但更深层次来说，是我国高功率技术与水平的差距。与发达国家水平还有一定距离。因此，需要提高功率密度，以便将一定量的功率加载到燃料电池堆中，特别是在乘用车的有限空间中需要高功率密度。此外，从节省成本的角度来看，提高功率密度可以减少燃料电池材料、组件和其他硬件的消耗，最终显着降低燃料电池成本。

为了提高燃料电池的功率密度，必须提高性能并减小尺寸。在性能方面，燃料电池极化曲线分析表明，燃料电池性能可以通过降低活化极化、欧姆极化和传质极化来提高，为此需要对催化剂、膜和隔膜等关键材料进行改进。需要。性能方面，要保证堆叠的一致性，降低板材等硬件的厚度，提高集成度。本文基于理论分析和工程实践经验，探讨了提高功率密度的有效途径，为该领域的研究人员和工程技术人员提供参考资料。

图1典型燃料电池极化曲线

二，

简介高活性、高稳定性催化剂和电极

为了提高燃料电池性能，首先必须降低活化极化，燃料电池极化曲线表明活化极化与催化剂活性密切相关。在燃料电池的反应过程中，氧还原反应的交换电流密度远低于氢氧化反应，因此极化损耗一般发生在空气电极侧。因此，研究的重点是提高阴极侧催化剂的活性。目前，质子交换膜燃料电池中常用的商业催化剂是铂碳催化剂，它是铂纳米粒子分散在碳粉载体中的负载型催化剂。实际使用实验表明，该市售催化剂活性较差。稳定性都有一定的缺点。美国能源部的催化剂指标如表1所示。研究人员通过Pt晶面控制、Pt-M合金催化剂、Pt-M核壳催化剂、Pt表面修饰、Pt单原子等探索了高活性和高性能。层状催化剂等关于催化剂溶液的稳定性，目前只有Pt-M合金催化剂可以在这些研究中实际使用。

表1美国DOE制定的催化剂技术指标

Pt-M催化剂是由Pt和过渡金属制成的合金催化剂，过渡金属催化剂对Pt的电子和几何效应提高了稳定性，也提高了质量比活性。由于贵金属用量减少，催化剂成本也显着降低。Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C等二元合金催化剂表现出优异的活性和稳定性。Chen等人利用铂镍合金纳米晶的结构变化制备了高活性和高稳定性的Pt3Ni纳米笼催化剂，其质量比活性和面积比活性分别提高了36倍和22倍。在Pt合金催化剂的应用方面，丰田汽车公司宣布，通过将Pt-Co合金催化剂应用于商用燃料电池汽车Mirai，催化活性提高了18倍。中科院大连化学物理研究所研制的Pt3Pd/C催化剂已在燃料电池电堆中得到验证，其性能完全可以替代商用催化剂。目前小质量比的PtCu合金催化剂是Pt/C的38倍，PtNi纳米线合金催化剂的质量和面积比活性分别是Pt/C的25倍和33倍，表现出良好的应用潜力。

图2PtNi纳米线合金催化剂

就目前的Pt-M催化剂而言，必须解决燃料电池运行条件下过渡金属溶解的题，金属溶解不仅会降低催化剂活性，还会因金属离子而导致膜劣化。因此，需要进一步研究来提高Pt-M催化剂的稳定性。要保证Pt合金催化剂的稳定性，除了提高其自身稳定性外，还需要从系统控制策略入手，降低催化剂的衰减条件，这对提高催化剂的稳定性具有重要作用。

除了提高催化活性和减少活化极化之外，电极结构对于提高性能也非常重要。电极通常由扩散层和催化剂层组成。正确设计的电极结构有助于减少欧姆极化和传质极化。电极的发展趋势是进一步减小催化剂层的厚度以提高反应效率，增加气体扩散层的传质通量，改善传质过程，进而提高电极的最终电流密度，以提高反应效率。增加电极的电流密度。工作电流大于25~3A/cm2。丰田汽车公司的Mirai燃料电池堆采用薄的低密度扩散层，可显着降低欧姆极化和传质极化，从而显着提高工作电流密度。

三，

增强复合膜

除了通过提高催化剂活性来降低活化极化来改善性能外，随着电流的增加，伏安曲线直线段的斜率主要由欧姆极化决定，其中欧姆极化如图1所示来改善性能。你可以看到。它占据了膜的最大部分。为了提高性能，目前用于汽车质子交换的隔膜越来越薄，从几十微米到十多微米，以减少质子传输的欧姆极化，实现更高的性能。然而，薄膜在车辆运行条件下更容易受到机械损坏和化学降解。复合膜是均质膜的改性，通过将均质膜的树脂与有机或无机材料相结合来增强其特定功能。因此，增强复合薄膜是薄膜应用的主要解决方案。增强复合膜不仅保证了薄膜的性能，还增强了其机械强度和化学耐久性。实现这一目标的技术途径首先是化学强化。

图3改进的复合膜技术途径

机械增强膜采用多孔膜或纤维作为增强骨架，并浸渍全氟磺酸树脂，使分布在多孔膜之间的树脂保证质子传导，提高膜的强度。稳定性也得到了很大的提高，包括戈尔的复合膜、专利的Nafion/PTFE复合增强膜、大连化学物理研究所的碳纳米管增强复合膜。中国。化学强化是防止电化学反应过程中自由基引起的化学衰减。添加自由基猝灭剂，可分解清除在线反应过程中的自由基，提高耐久性。大连化学物理研究所在Nafion薄膜中添加1wt的CsxH3-xPW12O40/CeO2纳米分散粒子制备了复合薄膜。利用可变价格金属CeO2的可逆氧化还原性质来添加CsxH3。xPW12O40保证良好。质子传导性还提高了H2O2的催化分解能力。南京大学在质子交换膜中添加了抗氧化剂维生素E，其主要成分-生育酚不仅可以捕获活性氧并将其转变为氧化态，而且还可以借助氢渗透将其再次还原，从而使活性氧得以有效利用。改进的可能。燃料电池的寿命。

4、

双极板流场及材料

隔板是燃料电池的重要组成部分，它支撑膜电极、传导电子、分配反应气体并除去生成的水。因此，就燃料电池性能而言，正极板不仅影响欧姆极化，还影响传质极化。

从减少欧姆极化的角度来看，隔膜必须具有良好的电子导电性。目前常用的正极板有石墨材料、石墨复合材料、金属材料等。三种双极板材料都是良导体，但针对不同的应用场景有一些特殊的考虑。纯石墨阳极板具有良好的导电性，但一般需要机械雕刻流道，加工效率低、成本高。这是第一代双极板技术，已逐渐被取代。石墨复合材料一般是由碳粉与树脂等成分按一定比例混合而成。流场经济，但会受到添加树脂等非导电材料的影响。特别是在高电流密度下，导电性无助于提高功率密度。因此，石墨复合材料必须在保证正极板小型化和加工性能的同时，尽可能提高导电性能。

金属是优良的电和热导体，它们作为双极板材料的使用变得越来越普遍，特别是当车辆空间要求燃料电池具有更高的功率密度时。薄金属双极板由于其固有的优越导电性和实现更薄双极板的能力，已成为提高燃料电池功率密度的首选解决方案。目前，大多数主要汽车公司都采用金属双极板技术，例如丰田汽车公司。本田有限公司、现代汽车有限公司等。金属隔板的技术挑战是燃料电池环境中的耐腐蚀性、与其他燃料电池部件和材料的兼容性以及无污染。

目前，常用的金属隔板材料包括不锈钢或表面涂层钛。国内外对于燃料电池不锈钢隔板表面耐腐蚀涂层技术进行了大量的学术研究，涂层材料必须同时保证耐腐蚀性和导电性，表中列出了具有代表性的涂层材料。2、表面涂层材料一般可分为金属、金属化合物和碳涂层三类。金属包括贵金属和金属化合物。尽管价格昂贵，但由金、银、铂等贵金属制成的涂层仍被用于特殊领域，因为它们具有与石墨类似的优异的耐腐蚀性和接触电阻。为了降低成本，应尽可能减小处理层的厚度，但应避免出现针孔。金属化合物涂层作为Ti-N、Cr-N、Cr-C等表面处理方案目前被广泛研究，具有较高的应用价值。除了金属涂层之外，人们还在研究用于金属分离器的碳膜，例如石墨、导电聚合物和类金刚石膜。丰田汽车公司的专利技术推出了高导电性SP2混合无轨薄膜。成型碳。

表2金属分离器涂层材料比较

除涂层材料外，涂层制备技术也是提高耐腐蚀性、保证导电性的重要因素。涂层必须无针孔和裂纹。金属隔板表面处理层中的针孔是制备过程中涂层中颗粒沉积引起的常见题。燃料电池工作环境中存在的针孔会通过涂层中的针孔导致基材发生电化学腐蚀

一、增大核反应堆功率的方法？

1.核物理中的要求是功率充足、中子害效应小、辐射防护设计容易、制造尺寸小、集中度高、核反应堆与液压回路一体化。换句话说，能量密度进一步提高。只有这样才能安全地在航母上使用。

2、增加核燃料量是最直接的方式，导致核物理模型的重新设计。然而，核燃料丰度的成功增加将增加热力学密度，需要重新设计热水力模型。这给材料科学、机械设计、电气元件和设备控制带来了越来越多的挑战。

3、本次设计是一个综合性题。高功率海洋反应堆对除美国之外的世界上每个拥有核武器的国家来说都是一项工程挑战。前苏联也掌握了这一点，但还没来得及完全实施就崩溃了。

4、两个有代表性的失败案例。其中之一就是法国戴高乐号航空母舰。由于设计无法用高燃料浓度反应堆完成，因此运行需要多个低浓度反应堆，占用宝贵的船体空间并使蒸汽系统复杂化。另一艘是日本陆奥核科考船。另外，由于反应堆容量题，缺乏辐射屏蔽空间，因此船体内有大量空间，不适合工作或居住。该反应堆最终退役并恢复常规电力。

总结不仅研究难度大，而且机器寿命短，日后维护难度大且成本高，技术在实践中也很难突破。