电气新能源技术论文分析解析

1、 电气信息学院 2010 级电气新能源技术论文 班级：电气工程及其自动化 xxx 班 姓名：xxxx 学号：109xxxxxx 指导老师：杨 xxx 如何降低电动汽车电池成本：摘要随着世界能源危机和环保问题日益突出，汽车工业面临着严峻的挑战。当今世界， 汽在推动社会经济发展的同时，也导致能源危机，环境污染等问题日益加剧。电动汽车是大家公认的电动汽车的最终方案，但是纯电动汽车目前来看并算不上新能源来自煤炭等石化能源。车，因为它仍需要从电网充电，而电网的电大部分还是来自火力发电， （只所以燃料电池汽车是发展方向，但是当下主流燃料电池技术普遍存在成本高，燃料单一而且现在氢能电动汽车的安全性问题与能使

2、用纯氢气作为燃料）等问题，达不到商用水平。成本问题一直是制约氢能汽车发展的关键，本文将对如何降低氢能汽车的成本问题展开论 述。：关键词 成本 氢能 电动汽车 燃料电池 工作原理：燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单电池是由以及电解质组不同的是一般电池的活)正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极负极本身不包含活性物质，而燃电池的正、性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。 只是个催化转换元件。因此燃料电池是符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。反应电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，氧燃料电池反应原理这个反映是电解水的逆过

3、 地发电。氢-产物不断排除，燃料电就能连续 程。电极应为： 2e-+2OH-=2H2O 负极：H2 O2+H2O+4e-=4OH-正极： 2H2+O2=2H2O 电池反应：【1】 图 1：质子交换膜燃料电池工作原理 1 世纪是世界能源舞台上一种重要的二次能源，是最具发展潜力的清洁能 21 氢能在源。其中一个重要用途也是研究的热点便是将氢应用在新能源汽车上，这种具有创造性的利用掀起了新能源汽车的开发应用的高潮。到目前为止，混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车引领了整个新能源汽车领域的发展。在过去的十年里，混合动力 3%汽车在国际上已经率先实现了产业化，目前美国轻型车市场中混合动力车已经占到。但

4、与之相比燃料电池汽车中的氢能源汽车的发展却的市场份额，日本则超过了 10%。而这势,显得后劲不足氢动力汽车在中国消费者对新能源汽车的选择中只占到 8.2%而导致这一结果的一个重要原因便是氢能源汽车的必会影响氢燃料汽车的扩大发展。成本问题。这种成本主要包括氢的制备和存储、燃料电池的应用开发及相关加气站的 建设等，可见解决成本问题的急迫性和重要性。 以下将从以上几方面分别论述降低质子交换膜燃料电池成本的问题。 一、催化剂一、催化剂质子交换膜燃料电池催化剂包括阴极催化剂和阳极催化剂两种。催化剂需要具目前主要是中毒的能力，CO 有很高的催化活性和稳定性，而且阳极催化剂还需具有抗以活性炭为载体的铂为催化

5、剂。铂的催化效果很好，但作为贵金属，其价格昂贵，资吨。因此提高铂催可以看到，源稀缺。根据表 12009 年全球铂族金属的储量仅为 71000 寻找更佳的催化剂载体乃至新的廉价的催化剂已成为研究热点和化剂效率和稳定性， 。焦点 单位：吨：世界铂族金属储量和储量基础表 1 储量基础国家和地区储量储量基础国家或地区储量 3903106300070000 加拿大南非 85066006200800 其他俄罗斯 80000900710002000 世界总计美国 铂催化剂稳定性和活性、效率的提高其中主要方面包括碳载体的腐蚀、造成铂催化剂稳定性、活性、效率降低的原因很多, 解决这些问题对延长催化剂使用寿命从而

6、降低成本具有聚结和杂质毒化等。铂的氧化溶解、 2 积极意义。 优化铂催化剂的合金组成, 铂催化剂的稳定性降低乃至失活与铂颗粒表面电子状态等因素密切相关。因此分别发现 Wei 优化催化剂的表面电子状态是改进铂催化剂稳定性的有效方法。和 Popov 颗粒在碳载体表面的迁移阻力，从而 Ni 了 Fe 和对 Pt 的锚定作用，这种作用可以增加 Pt 更容易与碳形成合金，彼此之间存在强烈的相互 Fe 减缓铂催化剂的聚。其原理是和 Ni 作用。另一方面，其他元素的加入可以提高催化剂的抗腐蚀和抗氧化溶解能力。研究催化剂更高 500Pt 发现 CoCr/C 三元合金催化剂即使在 h 的寿命测试后仍然具有比 P

7、t/C116】除此之外，说明的催化活性, PtCoCr/C 三元合金催化剂具有更高的稳定性。 【2161 改变催化剂的合金组成还可以提高催化剂的抗毒化能力。已有大量研究工作涉及耐 CO 和毒化的二元或多元催化剂合金材料, 这些合金材料包括 PtM、PtRuM、 PtWOx 在铂表 PtRu-HxWO 等。这些添加的金属元素主要通过两种方式起作用: 一是降低 CO3 面的吸附强度, 二是能够增加的氧化。氧化所需要的含氧物种，从而促进 COCO 铂催化剂的表面修饰，铂粒子的等人在科学杂志上发表的论。如图 3 最显著的研究成果来自 Adzic 然后通过置换反应将纳米尺度的金簇表面首先通过欠电位沉积的

8、方法沉积单层, Cu, 沉积在铂的表面, 即利用原子与溶液中金离子间在电位差上的关系产生置换作用 Cu这种经 Pt在表面还原成金簇。电子, 金离子接受原子溶解给出电子的同时, 在 Cu过金簇修饰的铂催化剂在电位循环条件下具有非常强的抗溶解能力。实验次电位循环后金修饰的铂催化剂的氧气还原表明该种催化剂在经过 30000 而未经修饰的铂催化剂的氧气还原电, 特性与初始状态相比没有明显降低位却出现了明显的变化。 图 2：Au 簇修饰的 Pt 催化剂制备示意图 3 铂催化剂生产工艺的改进或替代铂催化剂生产工艺的改进或替代寻求价格低廉的催化剂，对改变目前现有的催化模式，促进燃料电池 推广意义非凡。世界各

9、国科研机构不少在此项研究上取得了突破。 二、质子交换膜二、质子交换膜Nafion 美国即,20 世纪 60 年代成功开发了全氟磺酸 GE 与Dupont 公司于需要高分子膜的面, 的燃料电池,但其价格昂，制备汽车用 60kW系列膜产品万 8 这样仅膜的成本就超过 10。而目前全氟磺酸型膜的价格约为万元, 积为的一个重要的 PEMFC 元。因此开发比现有全氟磺酸膜更便宜的膜材料一直是 研究方向。 图 3：各生产商提供离子交换膜合成单体 用取代的加拿大的 Ballard 公司曾对早期开发的聚三氟苯乙烯磺酸膜进行改进, 膜主链三氟苯乙烯与三氟苯乙烯共聚制得共聚物, 再经磺化得到 BAM3G 。 （B

10、AM3G 降低了苯环上全氟原子保护 C)C 骨架不被电化学氧化氟原子取代苯环上的氢原子, , 更为突出的是该的电子云密度, 使膜具有较好的热稳定性、化学稳定性和机械强度, 膜。这种膜的主要特点, Dow 膜性能超过了 Nafion 117 和膜具有低的 EW 值和高含水率单电池的寿命提高 Ballard MK5, 并且使高的工作效率是具有非常低的磺酸基含量, 】但它的确切更易被人们接受。 【膜和 NafionDow 膜低得多, 3 成本也较，到 15000 h 化学组成和本征性能未见公开报道。 复合质子交换膜，PTFE-Nafion）来制取国内现有研究机构用聚四氟乙烯膜（PTFE 这种膜由于采

11、用了价格占优聚四氟乙烯成本较低，而且还有尺寸稳定性好，规模化制 4 溶剂和添加剂的混合基膜上喷涂 Nafion 备 CCM 电极比较容易的优。具体做法是往 PTFE 电CCMPT/C 溶液来制备 PTFE-Nafion 复合膜。并在 PN 复合膜两端喷涂催化剂浆料以制备从而得到超薄的,PTFE 极。实验发现采用喷涂法能使 Nafion 树脂均匀地浸入微孔膜中能很好地阻隔燃料和氧化剂。复合膜。该复合膜具有很好的气体阻隔性, PTFE-Nafion 而且阴极反应生, 电极性能得到较大的提升，由于复合膜很薄, 使电极的面电阻减小提高了电极的使电极对反应气增湿的要求大大减弱, 成的水更容易反渗透至阳极

12、, 自增湿能力。 的回收再利用三、PEMFC燃料电池的使用寿命毕竟是有限的，废旧的燃料电池直接丢弃不仅对环境有害，铂等贵金属的流失与人类资源的利用和燃料电池的可持续性发展都有着重大影同时，可以看 2 响，至少到目前以铂为主体的燃料电池催化剂仍然在发挥着重要作用。从表中有很多金属及膜结构物质是可以回收的。能否做好废弃燃料电池的回收 PEMFC 出， 再利用并借此降低成本直接关系到燃料电池在汽车等产业中的应用前景。每现有的大中规模PEMFC 一般由若干个相对独立的成套电池单体累叠串联而成,包括阴极和阳极各单体由两块双极板、电极两个单体之间由双极板相隔。每套 PEMFC(电, )和夹叠在中间的质子交

13、换膜(PEM)组。在批量生产中自的气体扩散层和催化层的 PEMFC 压合为一体化的膜电极组件 PEM(MEA)。用于便携设备供电的小型极往往与 4】结构形式可能是多样化的, 但结构组成基本与大中型规模一致。 【 PEMFC 组件材料 2 表电质子交换双极气体扩催化全氟型磺酸膜主石墨板包含炭粉，石墨粉，树脂碳纤主要包包含醚、聚四氟（表面碳黑和铂导电胶粘剂等 烯，非全氟型磺酸 Cr 含少量、了为炭 镍等。钛，金属板包含铝，不锈钢，膜及其复合膜主要、 、粉，胶黏 CoNiV 聚砜，复合双极板包含金属，塑料，包含氟、硅、芳香 Mn、TiFe、剂，异丙 碳酸脂，导电碳材料，纤维等。 醇等）等。类有机物。

14、 5 直接烧除碳是最经济可行的办法，Pt/C 催化剂的载体为活性炭骨架，为了富集铂，但直接焙烧碳时，由于燃烧不充分会冒出大量黑烟，导致贵金属损失量较大。张晓东的熟石灰作为成型粘结剂、助燃剂、捕集剂，抑制了黑等人的研究发现通过添加 25%，有效地富集了贵金属。国内，焙烧温度降到 400200 烟的产生，将碳的燃点降至同时因为陈凯平等人将全氟磺酸树脂置于高压釜内溶解制得了全氟磺酸树脂溶液, 他们得到全氟羧酸树脂以及聚四氟增强网布不溶解使全氟磺酸树脂与它们得到分离，提出用硼US4415679，浅黄色液体。美国专利 3%5%的全氟磺酸树脂溶液质量分数为酸酯、亚硫酸酯或原甲酸酯对部分水解或完全水解的全氟

15、羧酸树脂进行酯化，高效而】交换膜的增方便地使全氟羧酸树脂酯化成酯便于以后重新加工成离子交换膜。 【5 强网材具有与聚四氟乙烯一样的耐化学腐蚀性，可以将切成纤维作石棉改性膜用的 PTFE 毡作过滤材。PTFE 纤维, 或压制成对于性能降低而不能再继续使用的燃料电池可以在其他方面，比如建筑行业，甚至是家庭使用，以充分发挥燃料电池的功能。另外，对于目前研究较多的碱性燃料电越起更高引剂，且效率用池（PFC）以其使用的是碱性电解质而不需要铂做催化源能在新点后，PFC 将氧的关注。相信在克服易被二化碳毒化这一缺来越多人 汽车上大显身手。至可以是多方面的，甚汽燃料车的核心部件，其成本问题的解决 PEMFC 是催看出，通过对铂可替代。从各科研组织的研究进展以更是可以寻求它的好的的收以及电池弃活性的改进，做好废 PEMFC 的回毒化剂性能、抗化性以及催化燃显降低，为，使命显著提高用成本明使工重复再利用作，使燃料电池的用寿用能的利的发展特别是氢源有展的发铺平了道路。而所努力都将