电气新能源技术论文

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：当今世界， 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。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，来自煤炭等石化能源。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（只能使用纯氢气作为燃料）等问题，达不到商用水平。而且

2、现在氢能电动汽车的安全性问题与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：电动汽车 燃料电池 氢能 成本工作原理：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。其单电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃电池的正、负极本身不包含活性物质，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。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，反应产物不断排除，燃料电就能连续 地发电。氢-氧燃料电池反应原理

3、这个反映是电解水的逆过程。电极应为：  负极：H22e-+2OH-=2H2O   正极：O2+H2O+4e-=4OH-电池反应：2H2+O2=2H2O 【1】图1：质子交换膜燃料电池工作原理氢能在21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3%

4、的市场份额，日本则超过了10%。但与之相比燃料电池汽车中的氢能源汽车的发展却显得后劲不足,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%。而这势必会影响氢燃料汽车的扩大发展。而导致这一结果的一个重要原因便是氢能源汽车的成本问题。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。催化剂需要具有很高的催化活性和稳定性，而且阳极催化剂还需具有抗CO中毒的能力，目前主要是以活性炭为载体的铂为催化剂。铂的催化效果很

5、好，但作为贵金属，其价格昂贵，资源稀缺。根据表1可以看到，2009年全球铂族金属的储量仅为71000吨。因此提高铂催化剂效率和稳定性，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焦点。表1：世界铂族金属储量和储量基础 单位：吨国家和地区储量储量基础国家或地区储量储量基础南非6300070000加拿大310390俄罗斯62006600其他800850美国9002000世界总计7100080000铂催化剂稳定性和活性、效率的提高造成铂催化剂稳定性、活性、效率降低的原因很多, 其中主要方面包括碳载体的腐蚀、铂的氧化溶解、聚结和杂质毒化等。解决这些问题对延长催化剂使用寿命从而降低成本具有积

6、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, 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。Wei和Popov分别发现了Fe和Ni对Pt的锚定作用，这种作用可以增加Pt颗粒在碳载体表面的迁移阻力，从而减缓铂催化剂的聚。其原理是Fe和Ni更容易与碳形成合金，彼此之间存在强烈的相互作用。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。研究发现Pt6Co1Cr1/C三元合金催化剂即使在500h的寿命测试后仍然具有比Pt/C催化剂更高的催化活性, 说明Pt6Co1Cr1/C三元合金催化剂具有更高的稳定性。【2】除此之外，

7、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 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 和PtRu-HxWO3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CO 在铂表面的吸附强度, 二是能够增加CO 氧化所需要的含氧物种，从而促进CO的氧化。铂催化剂的表面修饰最显著的研究成果来自Adzic等人在科学杂志上发表的论。如图3，铂粒子的表面首先通过欠电位沉积的方法沉积Cu单层, 然后通过置换反应将纳米尺度的金簇沉积在铂的表面, 即利用Cu原子与溶液中金离子间在电位差上的关系产生置换作用, 在Cu原子溶解给出电子的同时

8、, 金离子接受电子, 在Pt表面还原成金簇。这种经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。实验表明该种催化剂在经过30000次电位循环后金修饰的铂催化剂的氧气还原特性与初始状态相比没有明显降低, 而未经修饰的铂催化剂的氧气还原电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。世界各国科研机构不少在此项研究上取得了突破。二、质子交换膜美国GE与Dupont公司于20世纪60年代成功开发了全氟磺酸,即Nafion系列膜产品,但其价格昂，制备汽车用60kW的燃料电池,

9、 需要高分子膜的面积为10。而目前全氟磺酸型膜的价格约为万元, 这样仅膜的成本就超过8万元。因此开发比现有全氟磺酸膜更便宜的膜材料一直是PEMFC的一个重要的研究方向。 图3：各生产商提供离子交换膜合成单体加拿大的Ballard公司曾对早期开发的聚三氟苯乙烯磺酸膜进行改进, 用取代的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 。（BAM3G膜主链全氟原子保护C)C骨架不被电化学氧化, 氟原子取代苯环上的氢原子, 降低了苯环上的电子云密度, 使膜具有较好的热稳定性、化学稳定性和机械强度, 更为突出的是该膜具有低的EW值和高含水率, 膜性能超过了Nafion 117和Dow膜。

10、这种膜的主要特点是具有非常低的磺酸基含量, 高的工作效率, 并且使Ballard MK5单电池的寿命提高到15000 h， 成本也较Nafion膜和Dow膜低得多, 更易被人们接受。【3】但它的确切化学组成和本征性能未见公开报道。 国内现有研究机构用聚四氟乙烯膜（PTFE）来制取PTFE-Nafion复合质子交换膜，这种膜由于采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，规模化制备CCM电极比较容易的优。具体做法是往PTFE基膜上喷涂Nafion溶剂和添加剂的混合溶液来制备PTFE-Nafion复合膜。并在PN复合膜两端喷涂PT/C催化剂浆料以制备CCM电极。实验发现采用喷涂法能使N

11、afion树脂均匀地浸入微孔PTFE膜中,从而得到超薄的PTFE-Nafion复合膜。该复合膜具有很好的气体阻隔性, 能很好地阻隔燃料和氧化剂。由于复合膜很薄, 使电极的面电阻减小, 电极性能得到较大的提升，而且阴极反应生成的水更容易反渗透至阳极, 使电极对反应气增湿的要求大大减弱, 提高了电极的自增湿能力。三、PEMFC的回收再利用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，同时，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2可以看出，PEMFC中有很多金属及膜结构物质是可以回

12、收的。能否做好废弃燃料电池的回收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。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,每两个单体之间由双极板相隔。每套PEMFC单体由两块双极板、电极(包括阴极和阳极各自的气体扩散层和催化层)和夹叠在中间的质子交换膜(PEM)组。在批量生产中, 电极往往与PEM压合为一体化的膜电极组件(MEA)。用于便携设备供电的小型PEMFC的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。【4】表2：PEMFC组件材料双极板电极质子交换膜气体扩散层催化层石墨板包含炭粉，石墨粉，树脂，导电胶粘剂等。碳纤维（表面图了为

13、炭粉，胶黏剂，异丙醇等）主要包含碳黑和铂，含少量Cr、Co、Ni、V、Ti、Mn、Fe等。全氟型磺酸膜主要包含醚、聚四氟乙烯，非全氟型磺酸膜及其复合膜主要包含氟、硅、芳香类有机物。金属板包含铝，不锈钢，钛，镍等。复合双极板包含金属，塑料，聚砜，碳酸脂，导电碳材料，纤维等。Pt/C催化剂的载体为活性炭骨架，为了富集铂，直接烧除碳是最经济可行的办法，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。张晓东等人的研究发现通过添加25%的熟石灰作为成型粘结剂、助燃剂、捕集剂，抑制了黑烟的产生，将碳的燃点降至200，焙烧温度降到400，有效地富集了贵金属。国内陈凯平等人将全氟磺酸树脂置

14、于高压釜内溶解制得了全氟磺酸树脂溶液, 同时因为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，他们得到的全氟磺酸树脂溶液质量分数为3%5%，浅黄色液体。美国专利US4415679提出用硼酸酯、亚硫酸酯或原甲酸酯对部分水解或完全水解的全氟羧酸树脂进行酯化，高效而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】交换膜的增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纤维, 或压制成PTFE毡作过滤材。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池（PFC）以其使用的是碱性电解质而不需要用铂做催化剂，且效率更高引起越来越多人的关注。相信在克服易被二氧化碳毒化这一缺点后，PFC将在新能源汽车上大显身手。PEMFC是燃料汽车的核心部件，其成本问题的解决可以是多方面的，甚至是可以寻求它的更好的替代。从各科研组织的研究进展可以看出，通过对铂催化剂性能、抗毒化性以及催化活性的改进，做好废弃PEMFC的回收以及电池的重复再利用工作，使燃料电池的使用寿命显著提高，使用成本明显降低，为燃料电池的发展铺平了道路。而所有努力都将为新能源的