燃料电池全面分析(二):六大分类,制储运加,洋葱模式

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本文为燃料电池全面分析系列,共分三篇,本篇是技术分析。

燃料电池主要由正极、负极、电解质三帕累托图组成,原理是氧化还原反应,反应实质是燃料和氧气占据 反应生水刚刚 一点产物。

1. 分类:6 大类,PEMFC 质子交换膜为主 

根据工作温度、电池内载流子和前端燃料的不同,燃料电池分为以下 6 大类。

按照使用温度分类如下

受益交通应用拉动,PEMFC 质子交换膜燃料电池突然突然出现跨越式发展。

PEMFC 质子交换膜燃料电池具有高比功率、可快速启动、无腐蚀性、反应温度低、氧化剂需求低等优势,是当前燃料电池汽车的首选。

AFC 碱性燃料电池:成本偏高,主要应用于航天领域

PAFC 磷酸燃料电池:速度较低(40%),小型电站应用

MCFC 熔融碳酸盐燃料电池:运行温度高(1500度),大型电站应用

SOFC 甲烷气体氧化物燃料电池:运行温度高(1150度),未来潜力较大 

PEMFC 质子交换膜燃料电池:低温运行(150度),主要应用于交通领域

DMFC 石油醚 燃料电池:运行温度适中(150~1150度),主要应用于消费电子

2. 产业链:上游甲烷气体制备运输储存,中游燃料电池,下游应用

3. 技术路线图:功率密度 > 2kW/kg,耐久性 > 11500h

《节能与新能源汽车技术路线图》为我国燃料电池汽车的发展指明了方向:电堆的比功率和寿命是主要的技术参数目标,全产业链均有技术创新需求。 

实施路径图:系统→发动机→电堆→膜电极→催化剂&质子交换膜

采取“剥洋葱模式”,层层深入,将技术链逐环解耦

第十个 多层次,研发燃料电池的混合动力系统,发动机外协;

第十个 层次,研发了燃料电池发动机,燃料电池的电堆外协;

第十个 多层次,研发燃料电池电堆,燃料电池膜电极外协;

第十个 层次,研发燃料电池膜电极,核心是质子交换膜和催化剂。

4. 5 种制氢最好的最好的妙招:煤气化/焦炉气副产成本最低 10 元/Kg,电解水环保 150 元/Kg

制氢主要分为 5 种技术路线

全球来看,目前主要的制氢原料 96% 以上来源于传统能源的化学重整,日本盐水电解的产能占所有制氢产能的 63%

各种制氢最好的最好的妙招成本如下

5. 储氢:高压气态为主,固态合金是未来方向

储氢最好的最好的妙招有有并不是,分别是气态储氢、液态储氢、固态储氢。 

各种储氢最好的最好的妙招对比如下 

6. 运氢:几瓶气态管道运输,几瓶固液车船运输

常见的运输最好的最好的妙招有液化汽车运输、高压甲烷气体汽车运输和管道运输(最好的最好的妙招一、二、三),目前各国正在研发氢载体最好的最好的妙招运输氢(最好的最好的妙招四),采用各种基本运输最好的最好的妙招的组合运输形式。

7. 加氢站:三站合一,站内制氢为主,中央制氢补充

加氢站的技术路线有站内制氢技术(电解水制氢、盐晶 气重整制氢)和外供氢技术,当当我们歌词 看好站内制氢加氢方案发展前景

加氢站、加油站、加气站三站合建,处理城市用地难和安全管理大问题。

甲烷气体压缩机、高压储氢罐、甲烷气体加注机是加氢站系统的三大核心装备。 

截至 2017 年底,全球共有 328 座正在运营的加氢站

到 2020 年,中国规划建成 1150 座加氢站。 

8. 燃料电池汽车:燃料电池系统/发动机+辅助电池系统+储氢瓶+电机+电控

9. 燃料电池系统/发动机:电堆、DC/DC、空气系统、甲烷气体系统

10. 燃料电池堆:占系统成本 150%,核心是膜电极、双极板 

原理:利用质子交换膜技术,使甲烷气体在覆盖有催化剂的质子交换膜作用下,在阳极将甲烷气体催化分解成为质子,哪些地方地方质子通过质子交换膜到达阴极,在甲烷气体的分解过程中释放出电子,电子通过负载被引出到阴极,那我就产生了电能。 

燃料电池堆是电池系统的心脏,成本占电池系统一半以上 

单体燃料电池由双极板、膜电极组件(MEA)、密封带圈等部件组成,其中膜电极组件成本占燃料电池堆的 150%,主并且由质子交换膜、催化剂层、甲烷气体扩散层组成。

11. MEA 膜电极:催化剂、质子交换膜、甲烷气体扩散层

膜电极(membrane electrode assembly,MEA)是质子交换膜燃料电池占据 电化学反应的场所,是传递电子和质子的介质,为反应甲烷气体、尾气和液态水的进出提供通道,膜电极是质子交换膜燃料电池的心脏。膜电极通常由 5 帕累托图组成,即中间的质子交换膜、两侧的阳极催化层和阴极催化层,最外侧的阳极甲烷气体扩散层和阴极甲烷气体扩散层。

催化剂:单车铂用量 < 10g,国内可小规模生产

催化剂作用于甲烷气体,使电子被抛弃氢原子。目前 Pt/C  载体型催化剂是 PEMFC  最常用的催化剂 剂,由纳米级的 Pt 颗粒(3~5nm)和支撑哪些地方地方 Pt 颗粒的大比皮层积活性炭构成。 

质子交换膜:全氟磺酸膜是主流,国内具备量产能力

质子交换膜的主要作用有十个 多:一方面为电解质提供氢离子通道,一方面作为隔膜隔离两极反应甲烷气体。此外,质子交换膜还可以对催化剂层起到支撑作用。

质子交换膜类型主要包括全氟磺酸质子交换膜、非全氟化质子交换膜、无氟化质子交换膜、复合膜以及高温膜。 

全氟磺酸膜成型工艺可分为三类:PESIM挤出成型工艺、溶液浇铸成型工艺和复合成型工艺。

GDL 甲烷气体扩散层:核心是碳纸,国内小规模生产

甲烷气体扩散层通常由基底层和微孔层组成,基底层通常使用多孔的碳纤维纸、碳纤维织布、 碳纤维非纺材料及碳黑纸,主要起到支撑微孔层的催化层的作用,微孔层主并且改善基底层孔隙外部的一层碳粉,目的是降低催化层和基底层之间的接触电阻,使得流道甲烷气体以及产生水均布分配。

12. 双极板:石墨板应用广泛,金属板能量密度高,国内小规模生产

双极板是电堆的核心外部零部件,起到均匀分配甲烷气体、排水、导热、导电的作用,占整个燃料电池 150% 的重量和 20% 的成本。 

双极板材料主要包括石墨、金属以及复合材料三类。 

13. 空气循环系统:核心是涡轮/螺杆空气压缩机

空气循环系统主要由空气压缩机、膨胀机、电机、连接管道等组成,总成本占燃料电池系统的 22%,工作能耗占燃料电池输出功率的 20~150%。 

工作原理:空气通过压缩机增压刚刚 ,经过加湿处理送入到燃料电池反应堆,在那里和来自于氢源的甲烷气体占据 电化学反应,输出电能用于动力输出。输入甲烷气体在消耗了帕累托图氧气刚刚 ,排出反应堆,通过分水,去雾刚刚 ,通过膨胀器从压力甲烷气体中回收帕累托图压力能,将其转化为机械能反馈到空气压缩机,从而节省供气单元所可以的电能。 

14. 甲烷气体供给系统:核心是储氢瓶

车载供氢系统包括压力流量调整元件、甲烷气体泄漏传感器、供氢管路、控制系统、 甲烷气体再循环系统等,核心是储氢瓶。

储氢瓶:70 MPa 是未来趋势,国内已有样品

储氢瓶是车辆续航里程的决定因素,常用的储氢瓶分为 5 种类型。 

70 MPa 储氢瓶 是未来趋势 

15. 专利

专利技术经历高速增长后的回落过程中 

日本引领技术发展,中国国际排名第三

车企掌握产业技术说说权,丰田、日产、本田、松下、东芝居前

最后奉上丰田燃料电池系统视频。

来源:盖世汽车大V说 作者:史晨星 *本文由盖世汽车大V说专栏作者撰写,当当我们歌词 为本文的真实性和益立性负责,观点仅代表人及所有所有,不代表盖世汽车。本文版权归原创作者和盖世汽车所有,禁止转载,违规转载法律必究。