劉賢濤

摘 要：隨著社會(huì)的進(jìn)步和人員移動(dòng)性增強(qiáng)，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車所帶來的環(huán)境污染和能源消耗問題逐漸加深。新能源汽車逐步成為汽車產(chǎn)業(yè)研究的熱點(diǎn)，車用燃料電池已成為新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的亮點(diǎn)領(lǐng)域。簡述了車用燃料電池的背景和意義，分析了現(xiàn)有車用燃料電池的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，梳理了的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)狀， 為未來車用燃料電池的發(fā)展提出了思考和建議。

關(guān)鍵詞：燃料電池;車載;氫能;質(zhì)子交換膜

中圖分類號(hào)：TB???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.10.089

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和人員移動(dòng)性增強(qiáng)，全球汽車需求量快速增長，但傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車所帶來的能源消耗和環(huán)境惡化也不可避免。新能源汽車作為以非常規(guī)燃料作為動(dòng)力來源的新型交通工具，具有環(huán)境污染小、資源消耗低、舒適性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐步成為汽車產(chǎn)業(yè)研究的熱點(diǎn)。新能源汽車主要包括純電動(dòng)、增程式電動(dòng)、混合動(dòng)力、燃料電池電動(dòng)、氫發(fā)動(dòng)機(jī)等多種類型，其中燃料電池汽車發(fā)展迅速，被認(rèn)為是新能源汽車發(fā)展的重要方向之一。燃料電池發(fā)電作為繼火力、水力和核能發(fā)電之后的新一代高效連續(xù)發(fā)電技術(shù)，是通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽F(xiàn)已成為新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的亮點(diǎn)領(lǐng)域。所以研發(fā)燃料電池電動(dòng)汽車，用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)汽車工業(yè)，是實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的重要途徑。

1 車用燃料電池的介紹

1.1 燃料電池的介紹和車用燃料電池發(fā)展背景

燃料電池起源于19世紀(jì)，是一種將燃料與氧化劑通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。 燃料電池是大功率、高比功率與高比能量的電池，具有很高的經(jīng)濟(jì)性，20世紀(jì)70-80年代，全球能源危機(jī)和航天軍備競賽大大推動(dòng)了燃料電池的發(fā)展。20世紀(jì)90年代至今，人類日益關(guān)注環(huán)境保護(hù)，燃料電池工作可靠、操作簡單、清潔高效、電化學(xué)反應(yīng)有害產(chǎn)物較少，因此得到長足發(fā)展，核心關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，商業(yè)化應(yīng)用前景廣闊，所以燃料電池也被視作最具發(fā)展前途的能源動(dòng)力裝置之一。

隨著全球汽車需求量快速增長，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車所帶來的能源消耗和環(huán)境污染問題日益增加，市場中對(duì)于汽車輕量化與節(jié)能減排等技術(shù)的需求難以滿足，目前急需一種清潔能源解決公路交通運(yùn)輸車輛的污染物的持續(xù)排放。車用燃料電池伴隨著質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的突破而快速發(fā)展起來，同時(shí)具有能量轉(zhuǎn)換率高和綠色無污染的特點(diǎn)，成為新一代電動(dòng)汽車的研究熱點(diǎn)，各國企業(yè)的科研人員都加大了對(duì)車用燃料電池的研發(fā)。

1.2 車用燃料電池的應(yīng)用與現(xiàn)狀

燃料電池動(dòng)力汽車是目前世界各國發(fā)展新能源汽車的主要研究方向，從加拿大巴拉德公司成功研制H2/O2質(zhì)子交換膜燃料電池開始，極大的刺激了各企業(yè)對(duì)燃料電池的開發(fā)和研究。從第一臺(tái)巴拉德樣車問世以來，美國、日本、德國等國家相繼推出以燃料電池為動(dòng)力系統(tǒng)的新能源汽車，2002年底我國也順利完成了第一代城市客車“清能一號(hào)”裝車試驗(yàn)和運(yùn)行。截至目前，我國新能源汽車的銷量已經(jīng)穩(wěn)居全球第一，燃料電池汽車發(fā)展前景廣闊。

目前在開發(fā)的車用燃料電池多以純氫為燃料，特點(diǎn)主要是電池結(jié)構(gòu)簡單，可直接進(jìn)料，啟動(dòng)迅速無需燃料轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)只排出少量潔凈水，真正實(shí)現(xiàn)零污染。但隨著燃料電池汽車實(shí)用化、商品化進(jìn)程的加快，氫作為車用燃料電池燃料出現(xiàn)了一些問題：成本較高、基礎(chǔ)設(shè)施缺乏、儲(chǔ)氫運(yùn)氫技術(shù)不成熟等。甲醇燃料電池是利用液體燃料甲醇作為車用燃料，其優(yōu)點(diǎn)在于：一方面避免儲(chǔ)氫運(yùn)氫的技術(shù)難題;另一方面可利用已有的燃料供應(yīng)管道系統(tǒng)。但是甲醇缺少便利的甲醇銷售供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)具有的毒性也會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成損害。除了氫氣和甲醇外，還有一些關(guān)于天然氣和汽柴油作為車用燃料電池的研究。天然氣資源豐富，雜質(zhì)含量低，不含金屬雜質(zhì)和芳烴。利用汽柴油做燃料的燃料電池也同樣具有吸引力，可利用已有的燃料供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省巨額基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資，同時(shí)安全性也有了保障。

2 車用燃料電池技術(shù)原理和優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 氫能燃料電池

氫能燃料電池是使用化學(xué)元素氫作為燃料的清潔電池，基本原理是將氫能注入燃料電池的陽極（即負(fù)極），經(jīng)過鉑等催化劑的作用，在電極上與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)失去電子，氫離子穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)燃料電池陰極（即正極），電子通過外部電路到達(dá)燃料電池正極產(chǎn)生電流。20世紀(jì)60年代，氫能燃料電池成功地應(yīng)用于航天領(lǐng)域，“阿波羅”飛船就利用這一技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展，氫能燃料電池被廣泛應(yīng)用在太空、軍事、發(fā)電、交通、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。

氫能燃料電池的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展前景都十分可觀。氫能燃料電池反應(yīng)產(chǎn)物是水，不產(chǎn)生廢氣和其他有害物質(zhì)，只要不斷地給電池提供氫氣，就可以不斷地提供電能，具有綠色環(huán)保、清潔高效、安全無污染、能源消耗低等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)階段氫能源汽車加氫時(shí)長與普通燃油加油時(shí)間相當(dāng)，但是氫能源能量密度是汽油、天然氣的三倍以上，具有能量密度大，實(shí)際操作性強(qiáng)等優(yōu)勢，但是氫能電池難以市場化的主要問題集中在安全性、儲(chǔ)存技術(shù)以及成本問題上，仍需進(jìn)一步解決。

2.2 甲醇燃料電池

甲醇燃料電池是一種直接使用甲醇溶液或蒸汽作為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池。甲醇燃料電池具備低溫快速啟動(dòng)、燃料潔凈環(huán)保以及電池結(jié)構(gòu)簡單等特征，這使得甲醇燃料電池可能在未來在便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)用中成為主流。甲醇燃料電池的原理是甲醇在陽極轉(zhuǎn)換成二氧化碳，質(zhì)子和電子，質(zhì)子透過質(zhì)子交換膜在陰極與氧反應(yīng)，電子通過外電路到達(dá)陰極。反應(yīng)式：

堿性條件：2CH4O+3O2+4OH-=2CO2-3+6H2O

正極：O2+4e-+2H2O→4OH-

負(fù)極：CH4O-6e-+8OH-→CO2-3+6H2O

酸性條件：2CH4O +3O2→2CO2+4H2O

正極：O2+4e-+4H+→2H2O

負(fù)極：CH4O-6e-+H2O→6H++CO2

Innogy公司首次制得全球首例甲醇燃料電池商用汽車，到2018年中德又制得首款甲醇燃料跑車，甲醇燃料電池不斷在汽車行業(yè)快速發(fā)展。甲醇燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高，可靠性強(qiáng)，質(zhì)能比高，清潔，易啟動(dòng)，無噪音，低輻射，隱蔽性強(qiáng)，模塊化結(jié)構(gòu)，靈活方便，可水、電、熱聯(lián)供等優(yōu)點(diǎn)。但是缺點(diǎn)是催化劑昂貴，活性和穩(wěn)定性較差，質(zhì)子交換膜污染率高，性能持久性不強(qiáng)。未來甲醇燃料電池技術(shù)研究將主要集中在催化劑和質(zhì)子交換膜方面。

2.3 生物質(zhì)燃料電池

生物質(zhì)燃料電池是以有機(jī)物為燃料，以生物催化劑（酶等）進(jìn)行催化的一種特殊的綠色能源燃料電池。生物質(zhì)燃料電池主要應(yīng)用在兩個(gè)領(lǐng)域：一是生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等方面。生物質(zhì)燃料電池可以作為植入體內(nèi)的電源，并把燃料物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量，可以給如血管納米機(jī)器人、心臟起搏器、人造心臟等提供電能。二是在生物質(zhì)能的利用方面，生物燃料電池現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品、生物芯片等產(chǎn)品。

生物燃料電池的燃料來源廣泛，可以利用微生物呼吸的代謝和發(fā)酵的產(chǎn)物甚至污水等各種有機(jī)物和無機(jī)物作為燃料，利用多種多樣的酶或微生物作為催化劑，常溫常壓即可反應(yīng)，反應(yīng)條件溫和，易于操作、控制和維護(hù)。生物質(zhì)燃料電池生物相容性好，例如葡萄糖燃料電池可以利用人體血液中的葡萄糖和氧氣作燃料，在未來體內(nèi)植入人造器官應(yīng)用中具有潛在的優(yōu)勢和巨大的市場。

2.4 固體氧化物燃料電池

固體氧化物燃料電池是能夠在中高溫下直接將燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化為電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置，被普遍認(rèn)為是在未來會(huì)得到廣泛普及應(yīng)用的第三代燃料電池。固體氧化物燃料電池工作原理與其他燃料電池相同，主要是由陽極或燃料極、電解質(zhì)、陰極或空氣極和連接體或雙極板組成。

固體氧化物燃料電池主要應(yīng)用于發(fā)電、交通、航空等領(lǐng)域，可以在大型集中供電等領(lǐng)域作為固定電站，或者作為交通車輛動(dòng)力、船舶動(dòng)力的移動(dòng)電源，應(yīng)用前景廣闊。固體氧化物燃料電池有很多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，能在多種燃料的情況下運(yùn)行;不需要使用貴金屬催化劑;使用全固態(tài)組件，不會(huì)有漏液，也不存在腐蝕的管理問題;規(guī)模和安裝地點(diǎn)靈活等。但是固態(tài)燃料電池操作條件要求較高，操作溫度需要在650-1000℃以上，催化劑成本較高，電池使用壽命有待考證。

3 車用燃料電池核心關(guān)鍵技術(shù)

3.1 質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜是為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，具有阻隔和傳導(dǎo)質(zhì)子的作用，直接影響著燃料電池的性能和使用壽命。質(zhì)子交換膜材料應(yīng)具有電導(dǎo)率高、化學(xué)和熱穩(wěn)定性好、反應(yīng)氣體的透氣率低、有利于電極反應(yīng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

目前工業(yè)應(yīng)用的膜材料主要是全氟磺酸膜、非全氟化質(zhì)子交換膜、無氟化質(zhì)子交換膜等。全氟磺酸離子膜是由碳氟主鏈和帶有磺酸基團(tuán)的醚支鏈構(gòu)成，具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，是目前應(yīng)用最廣泛的燃料電池膜材料。全氟磺酸膜的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，在濕度大和低溫的條件下導(dǎo)電率高。但在高溫的條件下全氟磺酸膜導(dǎo)電性變差，并且全氟硫酸膜單體合成困難、成本高。非全氟化質(zhì)子交換膜是用氟化物與無機(jī)或其他非氟化物共混制成的，其優(yōu)點(diǎn)是硫酸基含量低、工作效率高、電池壽命高、成本較低，工業(yè)化推廣性好。無氟化質(zhì)子交換膜實(shí)質(zhì)上是碳?xì)渚酆衔锬?，是質(zhì)子交換膜發(fā)展的趨勢，它的主要特點(diǎn)是成本相對(duì)于前兩者更低，環(huán)保安全，但是對(duì)于材料需要較高的化學(xué)穩(wěn)定性，需要進(jìn)一步的研究。同時(shí)新興起的復(fù)合膜通過納米級(jí)別的調(diào)控改變膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在制作流程、成膜性能等方面有更好的變現(xiàn)，但是在膜的綜合性能的研究有待進(jìn)一步關(guān)注。

3.2 反應(yīng)催化劑

燃料電池反應(yīng)催化劑是指在電池正負(fù)極反應(yīng)過程中，加快和提高電化學(xué)反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時(shí)間的材料，大多數(shù)燃料電池選擇高穩(wěn)定性、高活性、不易污染的貴金屬鉑作為催化劑?，F(xiàn)用的燃料電池鉑催化劑具有催化效率高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但是鉑是稀有金屬，價(jià)格昂貴，推廣性差，成為制約燃料電池發(fā)展的瓶頸問題，成為研究的熱點(diǎn)。

針對(duì)燃料電池催化劑的研究目前主要集中在以下幾個(gè)方面：一是提高催化劑活性和穩(wěn)定性通過對(duì)鉑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，減小催化劑的粒子直徑、使其均一分散來擴(kuò)大催化面積，還可以通過減小催化劑厚度的方法提高反應(yīng)性。二是改進(jìn)鉑材料的利用率，可以通過鉑與其它金屬形成合金來制造催化劑，目前大多采用鉑與釕的合金來解決，或者將鉑的活性組分擔(dān)載在載體上，主要以碳載體為主。三是研究鉑以外的新材料，例如氧化鉬、鈷、石墨烯-碘等物質(zhì)，但是技術(shù)尚未成熟，工業(yè)化應(yīng)用前景較低。

3.3 電解質(zhì)

電解質(zhì)大多以離子鍵或極性共價(jià)鍵結(jié)合，是溶于水溶液中或在熔融狀態(tài)下就能夠?qū)щ姷幕衔?。一般來講，電解質(zhì)于燃料電池的種類相互對(duì)應(yīng)，燃料電池中電解質(zhì)在電池工作狀態(tài)下，一般不參與電化學(xué)反應(yīng)，只會(huì)出現(xiàn)損耗。燃料電池電解質(zhì)的發(fā)展主要經(jīng)歷堿性型、磷酸型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型等幾個(gè)階段。

目前常見的燃料電池的電解質(zhì)分類主要有以下幾個(gè)方面。堿性燃料電池一般采用氫氧化鉀溶液作為電解液，這種電解液效率很高，但對(duì)雜質(zhì)敏感，必須采用純態(tài)的氫氣和氧氣，所以限制了其在航天、國際工程等領(lǐng)域中的應(yīng)用。磷酸燃料電池采用高溫下的磷酸作為電解質(zhì)，適用于分散式的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。固體氧化物燃料電池采用固態(tài)電解質(zhì)，性能較好，安全性好，但是工作溫度較高，技術(shù)還不成熟。

3.4 雙極板

燃料電池雙極板是電池系統(tǒng)組件的主要組成部分之一，直接影響制約著電池壽命、性能、體積、成本、質(zhì)量等方面。其作用主要是傳導(dǎo)電子、分配反應(yīng)氣并帶走生成水，燃料電池雙極板要求具備較好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、一定的強(qiáng)度、氣體致密性，具備耐酸耐堿耐腐蝕性、與電解質(zhì)相容無污染，同時(shí)易于加工、成本低廉，以滿足燃料電池的發(fā)展。

燃料電池常采用的雙極板材料包括金屬雙極板、石墨碳板、復(fù)合雙極板三大類。由于車輛空間限制，薄金屬雙極板成為目前商業(yè)雙極板的主要選擇，金屬雙極板的技術(shù)難點(diǎn)在于成型技術(shù)、表面處理技術(shù)。復(fù)合雙極板以非貴金屬（如不銹鋼、Ti）為基材、輔以表面處理技術(shù)是研究的熱點(diǎn)，篩選導(dǎo)電、耐腐蝕兼容的涂層材料與保證涂層致密、穩(wěn)定，將成為未來主要發(fā)展方向。

4 結(jié)論

燃料電池技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，對(duì)于緩解環(huán)境污染和能源危機(jī)都具有十分重大的戰(zhàn)略意義，現(xiàn)階段燃料電池技術(shù)的成熟、推廣應(yīng)用許多需要克服許多技術(shù)難題，但對(duì)于未來的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)將起到支撐和保障的作用，燃料電池汽車作為更新一代的汽車發(fā)展方向，車用燃料電池也以高的能量轉(zhuǎn)換效率和環(huán)保安全，逐漸成為未來能源的主要發(fā)展方向之一。

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