電氣新能源技術(shù)論文分析解析

1、電氣信息學(xué)院2010 級(jí)電氣新能源技術(shù)論文班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化xxx 班姓名： xxxx學(xué)號(hào)： 109xxxxxx指導(dǎo)老師：楊 xxx如何降低電動(dòng)汽車電池成本：摘要隨著世界能源危機(jī)和環(huán)保問(wèn)題日益突出，汽車工業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)今世界，汽在推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也導(dǎo)致能源危機(jī)， 環(huán)境污染等問(wèn)題日益加劇。 電動(dòng)汽車是大家公認(rèn)的電動(dòng)汽車的最終方案，但是純電動(dòng)汽車目前來(lái)看并算不上新能源來(lái)自煤炭等石化能源。車，因?yàn)樗孕枰獜碾娋W(wǎng)充電，而電網(wǎng)的電大部分還是來(lái)自火力發(fā)電，（只所以燃料電池汽車是發(fā)展方向，但是當(dāng)下主流燃料電池技術(shù)普遍存在成本高，燃料單一而且現(xiàn)在氫能電動(dòng)汽車的安全性問(wèn)題與能使用純氫氣作為

2、燃料）等問(wèn)題， 達(dá)不到商用水平。 成本問(wèn)題一直是制約氫能汽車發(fā)展的關(guān)鍵，本文將對(duì)如何降低氫能汽車的成本問(wèn)題展開論述。：關(guān)鍵詞 成本氫能電動(dòng)汽車燃料電池工作原理 ：燃料電池其原理是一種電化學(xué)裝置，其組成與一般電池相同。其單電池是由以及電解質(zhì)組不同的是一般電池的活)正負(fù)兩個(gè)電極( 負(fù)極即燃料電極和正極即氧化劑電極負(fù)極本身不包含活性物質(zhì)，而燃電池的正、性物質(zhì)貯存在電池內(nèi)部，因此，限制了電池容量。只是個(gè)催化轉(zhuǎn)換元件。因此燃料電池是符其實(shí)的把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換機(jī)器。反應(yīng)電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供給， 進(jìn)行反應(yīng)。 原則上只要反應(yīng)物不斷輸入， 氧燃料電池反應(yīng)原理這個(gè)反映是電解水的逆過(guò) 地發(fā)電。

3、氫 -產(chǎn)物不斷排除， 燃料電就能連續(xù) 程。電極應(yīng)為： 2e-+2oh-=2h2o負(fù)極： h2o2+h2o+4e-=4oh正-極：2h2+o2=2h2o電池反應(yīng)：【 1】圖 1：質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理1世紀(jì)是世界能源舞臺(tái)上一種重要的二次能源，是最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞?1 氫能在源。其中一個(gè)重要用途也是研究的熱點(diǎn)便是將氫應(yīng)用在新能源汽車上，這種具有創(chuàng)造性的利用掀起了新能源汽車的開發(fā)應(yīng)用的高潮。到目前為止， 混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車引領(lǐng)了整個(gè)新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展。在過(guò)去的十年里，混合動(dòng)力3%汽車在國(guó)際上已經(jīng)率先實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，目前美國(guó)輕型車市場(chǎng)中混合動(dòng)力車已經(jīng)占到。但與之相比燃料電池汽

4、車中的氫能源汽車的發(fā)展卻的市場(chǎng)份額，日本則超過(guò)了 10%。而這勢(shì) , 顯得后勁不足氫動(dòng)力汽車在中國(guó)消費(fèi)者對(duì)新能源汽車的選擇中只占到 8.2%而導(dǎo)致這一結(jié)果的一個(gè)重要原因便是氫能源汽車的必會(huì)影響氫燃料汽車的擴(kuò)大發(fā)展。成本問(wèn)題。這種成本主要包括氫的制備和存儲(chǔ)、燃料電池的應(yīng)用開發(fā)及相關(guān)加氣站的建設(shè)等，可見(jiàn)解決成本問(wèn)題的急迫性和重要性。以下將從以上幾方面分別論述降低質(zhì)子交換膜燃料電池成本的問(wèn)題。一、催化劑 質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑包括陰極催化劑和陽(yáng)極催化劑兩種。催化劑需要具目前主要是中毒的能力， co 有很高的催化活性和穩(wěn)定性，而且陽(yáng)極催化劑還需具有抗以活性炭為載體的鉑為催化劑。鉑的催化效果很好，但作

5、為貴金屬，其價(jià)格昂貴，資噸。因此提高鉑催可以看到，源稀缺。根據(jù)表12009 年全球鉑族金屬的儲(chǔ)量?jī)H為71000 尋找更佳的催化劑載體乃至新的廉價(jià)的催化劑已成為研究熱點(diǎn)和化劑效率和穩(wěn)定性，。焦點(diǎn)單位： 噸：世界鉑族金屬儲(chǔ)量和儲(chǔ)量基礎(chǔ)表1儲(chǔ)量基礎(chǔ)國(guó)家和地區(qū)儲(chǔ)量?jī)?chǔ)量基礎(chǔ)國(guó)家或地區(qū)儲(chǔ)量3903106300070000 加拿大南非85066006200800 其他俄羅斯80000900710002000 世界總計(jì)美國(guó)鉑催化劑穩(wěn)定性和活性、效率的提高其中主要方面包括碳載體的腐蝕、造成鉑催化劑穩(wěn)定性、活性、效率降低的原因很多,解決這些問(wèn)題對(duì)延長(zhǎng)催化劑使用壽命從而降低成本具有聚結(jié)和雜質(zhì)毒化等。鉑的氧化溶解、2

6、積極意義。 優(yōu)化鉑催化劑的合金組成,鉑催化劑的穩(wěn)定性降低乃至失活與鉑顆粒表面電子狀態(tài)等因素密切相關(guān)。因此分別發(fā)現(xiàn)wei 優(yōu)化催化劑的表面電子狀態(tài)是改進(jìn)鉑催化劑穩(wěn)定性的有效方法。和 popov 顆粒在碳載體表面的遷移阻力，從而ni 了 fe 和對(duì) pt 的錨定作用，這種作用可以增加 pt 更容易與碳形成合金，彼此之間存在強(qiáng)烈的相互fe 減緩鉑催化劑的聚。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劑的抗腐蝕和抗氧化溶解能力。研究催化劑更高 500pt 發(fā)現(xiàn) cocr/c 三元合金催化劑即使在h 的壽命測(cè)試后仍然具有比pt/c 116】除此之外，說(shuō)明的催化活性 , ptcocr/c

7、三元合金催化劑具有更高的穩(wěn)定性。【 2161改變催化劑的合金組成還可以提高催化劑的抗毒化能力。已有大量研究工作涉及耐co和毒化的二元或多元催化劑合金材料, 這些合金材料包括ptm 、ptrum 、 ptwox 在鉑表ptru-hxwo 等。這些添加的金屬元素主要通過(guò)兩種方式起作用 :一是降低 co3 面的吸附強(qiáng)度 ,二是能夠增加的氧化。氧化所需要的含氧物種，從而促進(jìn) coco鉑催化劑的表面修飾，鉑粒子的等人在科學(xué)雜志上發(fā)表的論。如圖3 最顯著的研究成果來(lái)自 adzic 然后通過(guò)置換反應(yīng)將納米尺度的金簇表面首先通過(guò)欠電位沉積的方法沉積單層, cu, 沉積在鉑的表面 , 即利用原子與溶液中金離子間

8、在電位差上的關(guān)系產(chǎn)生置換作用cu 這種經(jīng) pt在表面還原成金簇。電子 ,金離子接受原子溶解給出電子的同時(shí),在 cu 過(guò)金簇修飾的鉑催化劑在電位循環(huán)條件下具有非常強(qiáng)的抗溶解能力。 實(shí)驗(yàn)次電位循環(huán)后金修飾的鉑催化劑的氧氣還原表明該種催化劑在經(jīng)過(guò) 30000 而未經(jīng)修飾的鉑催化劑的氧氣還原電 , 特性與初始狀態(tài)相比沒(méi)有明顯降低位卻出現(xiàn)了明顯的變化。圖 2： au 簇修飾的pt 催化劑制備示意圖3鉑催化劑生產(chǎn)工藝的改進(jìn)或替代尋求價(jià)格低廉的催化劑，對(duì)改變目前現(xiàn)有的催化模式，促進(jìn)燃料電池 推廣意義非凡。世界各國(guó)科研機(jī)構(gòu)不少在此項(xiàng)研究上取得了突破。二、質(zhì)子交換膜nafion 美國(guó)即 ,20 世紀(jì) 60 年代

9、成功開發(fā)了全氟磺酸ge與dupont 公司于需要高分子膜的面 , 的燃料電池 , 但其價(jià)格昂，制備汽車用 60kw 系列膜產(chǎn)品萬(wàn) 8 這樣僅膜的成本就超過(guò) 10。而目前全氟磺酸型膜的價(jià)格約為萬(wàn)元 , 積為的一個(gè)重要的 pemfc元。因此開發(fā)比現(xiàn)有全氟磺酸膜更便宜的膜材料一直是研究方向。圖 3：各生產(chǎn)商提供離子交換膜合成單體用取代的加拿大的ballard 公司曾對(duì)早期開發(fā)的聚三氟苯乙烯磺酸膜進(jìn)行改進(jìn),膜主鏈三氟苯乙烯與三氟苯乙烯共聚制得共聚物,再經(jīng)磺化得到bam3g 。（ bam3g 降低了苯環(huán)上全氟原子保護(hù)c) c 骨架不被電化學(xué)氧化氟原子取代苯環(huán)上的氫原子, ,更為突出的是該的電子云密度,使

10、膜具有較好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度,膜。這種膜的主要特點(diǎn), dow 膜性能超過(guò)了nafion 117 和膜具有低的ew 值和高含水率單電池的壽命提高ballard mk5 ,并且使高的工作效率是具有非常低的磺酸基含量,】但它的確切更易被人們接受?！灸ず蚽afiondow 膜低得多 , 3成本也較，到15000 h化學(xué)組成和本征性能未見(jiàn)公開報(bào)道。復(fù)合質(zhì)子交換膜，ptfe-nafion ）來(lái)制取國(guó)內(nèi)現(xiàn)有研究機(jī)構(gòu)用聚四氟乙烯膜（ptfe這種膜由于采用了價(jià)格占優(yōu)聚四氟乙烯成本較低，而且還有尺寸穩(wěn)定性好，規(guī)模化制4溶劑和添加劑的混合基膜上噴涂nafion 備 ccm 電極比較容易的優(yōu)。具體做法是

11、往ptfe電ccmpt/c溶液來(lái)制備ptfe-nafion 復(fù)合膜。并在pn 復(fù)合膜兩端噴涂催化劑漿料以制備從而得到超薄的 , ptfe極。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用噴涂法能使nafion 樹脂均勻地浸入微孔膜中能很好地阻隔燃料和氧化劑。復(fù)合膜。該復(fù)合膜具有很好的氣體阻隔性,ptfe-nafion而且陰極反應(yīng)生,電極性能得到較大的提升， 由于復(fù)合膜很薄,使電極的面電阻減小提高了電極的使電極對(duì)反應(yīng)氣增濕的要求大大減弱,成的水更容易反滲透至陽(yáng)極,自增濕能力。的回收再利用三、 pemfc燃料電池的使用壽命畢竟是有限的，廢舊的燃料電池直接丟棄不僅對(duì)環(huán)境有害，鉑等貴金屬的流失與人類資源的利用和燃料電池的可持續(xù)性發(fā)展都

12、有著重大影同時(shí)， 可以看2 響，至少到目前以鉑為主體的燃料電池催化劑仍然在發(fā)揮著重要作用。從表中有很多金屬及膜結(jié)構(gòu)物質(zhì)是可以回收的。能否做好廢棄燃料電池的回收pemfc出， 再利用并借此降低成本直接關(guān)系到燃料電池在汽車等產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用前景。每現(xiàn)有的大中規(guī)模pemfc一般由若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的成套電池單體累疊串聯(lián)而成單體之間由雙極板相隔。每套 pemfc(電 , ), 包括陰極和陽(yáng)極各單體由兩塊雙極板、電極兩個(gè)和夾疊在中間的質(zhì)子交換膜( pem) 組。在批量生產(chǎn)中自的氣體擴(kuò)散層和催化層的 pemfc壓合為一體化的膜電極組件 pem( mea) 。用于便攜設(shè)備供電的小型極往往與 4 】結(jié)構(gòu)形式可能是多樣

13、化的 , 但結(jié)構(gòu)組成基本與大中型規(guī)模一致。 【 pemfc組件材料 2 表電質(zhì)子交換雙極氣體擴(kuò)催化全氟型磺酸膜主石墨板包含炭粉， 石墨粉， 樹脂碳纖主要包包含醚、聚四氟（表面碳黑和鉑導(dǎo)電膠粘劑等烯，非全氟型磺酸cr 含少量、 了為炭鎳等。鈦，金屬板包含鋁，不銹鋼， 膜及其復(fù)合膜主要、粉，膠黏coniv 聚砜，復(fù)合雙極板包含金屬，塑料，包含氟、硅、芳香mn 、 tife、劑，異丙碳酸脂，導(dǎo)電碳材料，纖維等。醇等）等。類有機(jī)物。5直接燒除碳是最經(jīng)濟(jì)可行的辦法，pt/c 催化劑的載體為活性炭骨架，為了富集鉑， 但直接焙燒碳時(shí)，由于燃燒不充分會(huì)冒出大量黑煙，導(dǎo)致貴金屬損失量較大。張曉東的熟石灰作為成型

14、粘結(jié)劑、助燃劑、捕集劑，抑制了黑等人的研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加25%，有效地富集了貴金屬。國(guó)內(nèi)，焙燒溫度降到400200 煙的產(chǎn)生，將碳的燃點(diǎn)降至同時(shí)因?yàn)殛悇P平等人將全氟磺酸樹脂置于高壓釜內(nèi)溶解制得了全氟磺酸樹脂溶液,他們得到全氟羧酸樹脂以及聚四氟增強(qiáng)網(wǎng)布不溶解使全氟磺酸樹脂與它們得到分離，提出用硼us4415679，淺黃色液體。美國(guó)專利3% 5%的全氟磺酸樹脂溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為酸酯、亞硫酸酯或原甲酸酯對(duì)部分水解或完全水解的全氟羧酸樹脂進(jìn)行酯化，高效而】 交換膜的增方便地使全氟羧酸樹脂酯化成酯便于以后重新加工成離子交換膜。【 5 強(qiáng)網(wǎng)材具有與聚四氟乙烯一樣的耐化學(xué)腐蝕性，可以將切成纖維作石棉改性膜用的pt

15、fe氈作過(guò)濾材。 ptfe纖維 ,或壓制成對(duì)于性能降低而不能再繼續(xù)使用的燃料電池可以在其他方面，比如建筑行業(yè)， 甚至是家庭使用， 以充分發(fā)揮燃料電池的功能。另外，對(duì)于目前研究較多的堿性燃料電越起更高引劑，且效率用池（pfc）以其使用的是堿性電解質(zhì)而不需要鉑做催化源能在新點(diǎn)后，pfc將氧的關(guān)注。相信在克服易被二化碳毒化這一缺來(lái)越多人汽車上大顯身手。至可以是多方面的，甚汽燃料車的核心部件，其成本問(wèn)題的解決 pemfc是催看出，通過(guò)對(duì)鉑可替代。從各科研組織的研究進(jìn)展以更是可以尋求它的好的的收以及電池棄活性的改進(jìn)，做好廢 pemfc的回毒化劑性能、 抗化性以及催化燃顯降低，為，使命顯著提高用成本明使工重復(fù)再利用作，使燃料電池的用壽用能的利的發(fā)展特別是氫源有展的發(fā)鋪