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國產燃料電池為何難?原因在于這項關鍵技術

來源:愛車兵團 更新:2020-03-18 19:36:10 作者: 瀏覽:142次

國內對于新能源車技術發展路線主要分為純電動汽車、插電式混合動力汽車、燃料電池汽車三大類。伴隨著補貼和政策的優惠,純電動汽車、PHEV插電式混動汽車的受歡迎程度逐漸提高,并成為近年來新能源汽車高速發展的“主力軍”。隨著純電動車、PHEV插電混動汽車補貼完成其歷史任務,行業內外的關注點開始集中在燃料電池領域。

 

 

相比較而言,燃料電池汽車的市場體量還是相當小。最主要的原因在于燃料電池的技術難度并不低,同時技術儲備和制備氫氣的渠道單一且成本較高。除此以外,燃料電池中還有一核心材料需要重視,那就是催化劑。

眾所周知燃料電池汽車的工作原理,是氫氣通過燃料電池的正極當中的催化劑分解成電子和氫離子。氫離子通過交換膜到達負極,和氧氣反應變成水和熱量;對應的電子則從正極通過外電路流向負極產生電能。從工作原理當中可以看出,催化劑的作用是將氫氣分解。

 

 

燃料電池的催化劑有別于我們認識的普通催化劑,對于催化的活性、穩定性和耐久性的指標,要高于普通催化劑。以現有技術來實現電池陰極的氧還原反應,就需要大量使用貴金屬鉑作為電極催化劑。

 

 

而目前對于燃料電池催化劑的研究其實并不少,高水平的研究及其論文數量和專利申請的數量成為不少國內相關企業的技術來源。中國工程院院士衣寶廉曾在訪問中表示,研究催化劑的單位和企業,還拿不出催化劑裝車的運行數據。

 

 

所謂的裝車運行數據,就是催化劑用于商業化的數據積累。由于實驗室在研發催化劑時,性能要求沒有量產程度的嚴格,包括經受抗氧化、抗中毒、耐久性,以及催化劑中雜質對質子膜等影響的試驗未達到量產的要求。這導致了研發方面有一定成績,但是在轉為量產的過程中,出現了脫節。目前國內企業所選用的催化劑,多以經過多年研發且實際驗證積累豐富的進口催化劑。

消費者對車廂的使用空間、車身重量和續航里程的要求越來越高,使得電池生產企業在電池密度的部分下功夫。電池密度的提升,可以讓相同容量下的電池體積變得小巧,也就是體現在電池性能不減弱并且能減小體積。

 

燃料電池當中的電堆,也就是電化學反應系統是決定了燃料電池的功率密度和凈功率,可以說是燃料電池的核心系統。我們比較熟悉氫燃料電池汽車如豐田Mirai、本田Clarity和現代NEXO,它們的電堆功率約在100kW,而國內目前的電堆功率大約在30-50kW左右。

 

 

因此提高電堆效率便成為關鍵,燃料電池在不同電流強度下均產生極化現象;從低電流的電化學極化到高電流的濃差極化,都會影響電堆的功率輸出,而降低極化現象可以通過如提高催化劑活性來實現。國內外均有不少高活性催化劑的解決方案,只是技術上關于碳載體和鉑金屬含量兩部分存在差異。

 

 

鉑金屬在碳載體上的高度分散是催化劑設計重要因素,比表面積高、導電性和穩定性好是對碳載體的要求。可科研機構對于碳材料的技術研究并不重視以致于基礎相對薄弱,繼而影響催化劑碳載體的制備研究。據資料顯示,在豐田Mirai的燃料電池里,催化劑的鉑金屬含量為0.175g/kW;而目前國內同類型產品的鉑金屬含量多在0.4-0.5 g/kW的水平,較好的產品可以控制在0.3 g/kW。美國能源部DOE曾設定2020年催化劑技術指標,是鉑族金屬總量是0.125 g/kW,由此可見國內外的催化劑技術仍然存在不小差距。

 

 

去年全國生產燃料電池車型3018輛,而根據中國氫能聯盟發布的《產業白皮書》,預計2020~2025年國內氫燃料電池汽車達到5萬輛;2026~2035年達到130萬輛;2036~2050年達到500萬輛,由此可見燃料電池汽車的市場前景令人期待。

但燃料電池的發展離不開關鍵部分的進步,對照外國專攻催化劑的企業,多數以可持續發展作為戰略,持續地對催化劑領域長期投入。而國內的企業應該減少環繞政策和補貼,通過設備、科研人員和資金的投入,與終端應用、量產化等領域結合,制造出適合的產品供市場發展。

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