鉅大LARGE | 點擊量:903次 | 2021年08月17日
燃料動力鋰電池全面分析
燃料動力鋰電池全面分解系列第一篇《燃料動力鋰電池全面分解:四大優點,三大使用,產業元年!》
1.技術原理:氧化還原反應
燃料動力鋰電池緊要由正極、負極、電解質三部分組成,原理是氧化還原反應,反應實質是燃料和氧氣發生反應生水或者其他產物。
2.分類:6大類,PEMFC質子交換膜為主
依據工作溫度、電池內載流子和前端燃料的不同,燃料動力鋰電池分為以下6大類。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
按照使用溫度分類如下
受益交通使用拉動,PEMFC質子交換膜燃料動力鋰電池出現跨過式發展。
PEMFC質子交換膜燃料動力鋰電池具有高比功率、可快速啟動、無腐蝕性、反應溫度低、氧化劑需求低等優點,是當前燃料動力鋰電池汽車的首選。
AFC堿性燃料動力鋰電池:成本偏高,緊要使用于航天范疇
PAFC磷酸燃料動力鋰電池:效率較低(40%),小型電站使用
MCFC熔融碳酸鹽燃料動力鋰電池:運行溫度高(600度),大型電站使用
SOFC固體氧化物燃料動力鋰電池:運行溫度高(800度),將來潛力較大
PEMFC質子交換膜燃料動力鋰電池:低溫運行(80度),緊要使用于交通范疇
DMFC甲醇燃料動力鋰電池:運行溫度適中(60~130度),緊要使用于消費電子
3.產業鏈:上游氫氣制備運輸儲存,中游燃料動力鋰電池,下游使用
4.技術路線圖:功率密度2kW/kg,耐久性5000h
歐陽老師的《節能與新能源汽車技術路線圖》為我國燃料動力鋰電池汽車的發展指明了方向:電堆的比功率和壽命是緊要的技術參數目標,全產業鏈均有技術創新需求。
執行路徑圖:系統→發動機→電堆→膜電極→催化劑質子交換膜
采取“剝洋蔥模式”,層層深入,將技術鏈逐環解耦
第一個層次,研發燃料動力鋰電池的混合動力系統,發動機外協;
第二個層次,研發了燃料動力鋰電池發動機,燃料動力鋰電池的電堆外協;
第三個層次,研發燃料動力鋰電池電堆,燃料動力鋰電池膜電極外協;
第四個層次,研發燃料動力鋰電池膜電極,核心是質子交換膜和催化劑。
5.5種制氫辦法:煤氣化/焦爐氣副產成本最低10元/Kg,電解水環保30元/Kg
制氫緊要分為5種技術路線
全球來看,目前緊要的制氫原料96%以上來源于傳統能源的化學重整,日本鹽水電解的產量占所有制氫產量的63%
各種制氫方式成本如下
6.儲氫:高壓氣態為主,固態合金是市場前景
儲氫方式有三種,分別是氣態儲氫、液態儲氫、固態儲氫。
各種儲氫方式比較如下
7.運氫:大量氣態管道運輸,小量固液車船運輸
常見的運輸方式有液化汽車運輸、高壓氣體汽車運輸和管道運輸(辦法一、二、三),目前各國正在研發氫載體方式運輸氫(辦法四),采用各種基本運輸方式的組合運輸形式。
8.加氫站:三站合一,站內制氫為主,中央制氫補充
加氫站的技術路線有站內制氫技術(電解水制氫、天然氣重整制氫)和外供氫技術,我們看好站內制氫加氫辦法發展前景
加氫站、加油站、加氣站三站合建,處理城市用地難和安全管理問題。
氫氣壓縮機、高壓儲氫罐、氫氣加注機是加氫站系統的三大核心裝備。
截至2017年底,全球共有328座正在運營的加氫站
到2020年,我國規劃建成100座加氫站。
9.燃料動力鋰電池汽車:燃料動力鋰電池系統/發動機+輔助電池系統+儲氫瓶+電機+電控
10.燃料動力鋰電池系統/發動機:電堆、DC/DC、空氣系統、氫氣系統
11.燃料動力鋰電池堆:占系統成本50%,核心是膜電極、雙極板
原理:利用質子交換膜技術,使氫氣在傾覆有催化劑的質子交換膜用途下,在陽極將氫氣催化分析成為質子,這些質子通過質子交換膜到達陰極,在氫氣的分析過程中釋放出電子,電子通過負載被引出到陰極,這樣就出現了電能。
燃料動力鋰電池堆是電池系統的心臟,成本占電池系統一半以上
單體燃料動力鋰電池由雙極板、膜電極組件(MEA)、密封圈等部件組成,其中膜電極組件成本占燃料動力鋰電池堆的60%,緊要是由質子交換膜、催化劑層、氣體擴散層組成。
12.MEA膜電極:催化劑、質子交換膜、氣體擴散層
膜電極(membraneelectrodeassembly,MEA)是質子交換膜燃料動力鋰電池發生電化學反應的場所,是傳遞電子和質子的介質,為反應氣體、尾氣和液態水的進出供應通道,膜電極是質子交換膜燃料動力鋰電池的心臟。膜電極通常由5部分組成,即中間的質子交換膜、兩側的陽極催化層和陰極催化層,最外側的陽極氣體擴散層和陰極氣體擴散層。
催化劑:單車鉑用量<10g,國內可小規模加工
催化劑用途于氫氣,使電子離開氫原子。目前Pt/C載體型催化劑是PEMFC最常用的催化劑劑,由納米級的Pt顆粒(3~5nm)和支撐這些Pt顆粒的大比表面積活性炭構成。
質子交換膜:全氟磺酸膜是主流,國內具備量產量力
質子交換膜的緊要用途有兩個:一方面為電解質供應氫離子通道,一方面作為隔膜隔離兩極反應氣體。此外,質子交換膜還要對催化劑層起到支撐用途。
質子交換膜類型緊要包括全氟磺酸質子交換膜、非全氟化質子交換膜、無氟化質子交換膜、復合膜以及高溫膜。
全氟磺酸膜成型工藝可分為三類:PESIM擠出成型工藝、溶液澆鑄成型工藝和復合成型工藝。
GDL氣體擴散層:核心是碳紙,國內小規模加工
氣體擴散層通常由基底層和微孔層組成,基底層通常使用多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、碳纖維非紡材料及碳黑紙,緊要起到支撐微孔層的催化層的用途,微孔層緊要是改善基底層孔隙結構的一層碳粉,目的是降低催化層和基底層之間的接觸電阻,使得流道氣體以及出現水均布分配。
13.雙極板:石墨板使用廣泛,金屬板能量密度高,國內小規模加工
雙極板是電堆的核心結構零部件,起到平均分配氣體、排水、導熱、導電的用途,占整個燃料動力鋰電池60%的重量和20%的成本。
雙極板材料緊要包括石墨、金屬以及復合材料三類。
14.空氣循環系統:核心是渦輪/螺桿空氣壓縮機
空氣循環系統緊要由空氣壓縮機、膨脹機、電機、連接管道等組成,總成本占燃料動力鋰電池系統的22%,工作能耗占燃料動力鋰電池輸出功率的20~30%。
工作原理:空氣通過壓縮機增壓之后,經過加濕解決送入到燃料動力鋰電池反應堆,在那里和來自于氫源的氫氣發生電化學反應,輸出電能用于動力輸出。輸入氣體在消耗了部分氧氣之后,排出反應堆,通過分水,去霧之后,通過膨脹器從壓力氣體中回收部分壓力能,將其轉化為機械能反饋到空氣壓縮機,從而節省供氣單元所要的電能。
15.氫氣供給系統:核心是儲氫瓶
車載供氫系統包括壓力流量調整元件、氫氣泄漏傳感器、供氫管路、控制系統、氫氣再循環系統等,核心是儲氫瓶。
儲氫瓶:70MPa是將來趨勢,國內已有樣品
儲氫瓶是車輛續航里程的決定因素,常用的儲氫瓶分為5種類型。
70MPa儲氫瓶是將來趨勢
16.專利
專利技術經歷高速上升后的回落過程中
日本引領技術發展,我國國際排名第三
車企掌握產業技術話語權,豐田、日產、本田、松下、東芝居前