謝鑫 陶思成 劉志平 黃偉豪 江慶

摘 要：深入介紹燃料電池汽車(chē)催化劑、隔膜、雙極板、車(chē)載氫系統(tǒng)等關(guān)鍵組件的技術(shù)特性和研究現(xiàn)狀，為燃料電池汽車(chē)的研發(fā)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池汽車(chē);燃料電池電堆;車(chē)載氫系統(tǒng)

能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)等因素決定了新能源汽車(chē)的應(yīng)用和普及是汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)前鋰離子電池電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展已經(jīng)取得了顯著成就，不過(guò)其還存在著續(xù)航能力差、充電速度慢等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。因此，政策決策者和市場(chǎng)參與者也越來(lái)越重視具有長(zhǎng)續(xù)航里程、燃料加注時(shí)間短、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)的燃料電池汽車(chē)。然而，燃料電池汽車(chē)的商業(yè)化普及還面臨著許多問(wèn)題。本文將重點(diǎn)介紹制約燃料電池汽車(chē)普及的核心組件的技術(shù)特性和研究現(xiàn)狀。

1 燃料電池電堆

1.1 燃料電池的原理

燃料電池的本質(zhì)是一個(gè)高效的能量轉(zhuǎn)換器，是將氫氣的化學(xué)能直接、高效地轉(zhuǎn)化為電能。其通過(guò)允許質(zhì)子或者離子穿透而不允許電子穿透的電池隔膜，將氫氣與氧氣的氧化還原反應(yīng)拆分成兩個(gè)半反應(yīng)[1]：在陽(yáng)極催化層上發(fā)生的氫氧化反應(yīng)和在陰極催化層上發(fā)生的氧還原反應(yīng);然后，電子只能通過(guò)外電路傳遞，從而為外電路上的負(fù)載提供電源。

1.2 催化劑

目前能滿足實(shí)際應(yīng)用要求的燃料電池氫氧化催化劑和氧還原催化劑只有鉑基催化劑。而貴金屬鉑的高成本和稀缺性成為了燃料電池商業(yè)化推廣的最大障礙之一。為此，研究人員主要采取了兩種技術(shù)路線：一種是通過(guò)提高催化劑中貴金屬的原子利用率來(lái)大幅降低貴金屬的使用量，另一種是開(kāi)發(fā)具有高效催化效果的非貴金屬催化劑。中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所徐維林課題組[2]開(kāi)發(fā)出了一種低成本的單原子貴金屬催化劑制備方法，通過(guò)富含碳缺陷的碳載體制備出超低鉑載量的氧還原催化劑，與普通的商業(yè)化鉑碳催化劑相比，其的鉑用量下降了94.5%，而氧還原催化性能相當(dāng)。重慶大學(xué)巍子棟課題組[3]采用緩慢的熱處理策略，合成了超高負(fù)載的單原子鋅基氮碳催化劑，該催化劑具有與鐵氮碳催化劑相當(dāng)?shù)难踹€原催化活性，和更好的穩(wěn)定性。盡管催化劑的低鉑化和非鉑化研究取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，但是這些新型催化劑在穩(wěn)定性、制備成本等方面難以與商業(yè)化鉑基催化劑相媲美，短期內(nèi)商業(yè)化應(yīng)用的催化劑成本難以顯著下降。

1.3 燃料電池隔膜

燃料電池隔膜必須同時(shí)滿足以下要求：質(zhì)子或者離子傳導(dǎo)率較高，氣體滲透性低，穩(wěn)定性好，機(jī)械強(qiáng)度好，成本較低等。目前市場(chǎng)上絕大部分的車(chē)載氫燃料電池均是使用質(zhì)子交換膜，其中全氟磺酸聚合物膜是應(yīng)用最廣泛的質(zhì)子交換膜，最具代表的就是美國(guó)杜邦公司研制的Nafion系列。質(zhì)子交換膜的缺點(diǎn)除了高昂的成本外，還不利于催化劑的非鉑化和低鉑化進(jìn)程。因?yàn)橘|(zhì)子交換膜決定了催化劑的應(yīng)用環(huán)境是在酸性介質(zhì)中，而在酸性介質(zhì)中，非鉑催化劑的催化性能難以與鉑基催化劑相媲美;另一方面，在酸性條件下，鉑基催化劑和非鉑催化劑中的過(guò)渡金屬容易溶解，致使隔膜被毒化、催化劑加速老化。因此陰離子交換膜成為了一種頗具潛力的發(fā)展方向;在陰離子交換膜燃料電池研究領(lǐng)域中，最主要的是去解決OH-傳導(dǎo)率與陰離子交換膜的離子交換容量之間的矛盾。研究者選擇胍[4]等更強(qiáng)的有機(jī)堿作為頭部基團(tuán)，構(gòu)建離子穿梭機(jī)制，以加速OH-的傳輸過(guò)程。不過(guò)這些進(jìn)展還無(wú)法改善陰離子交換膜低離子電導(dǎo)率的事實(shí)。

1.4 雙極板

雙極板的材料，主要分為石墨、金屬和復(fù)合材料三類(lèi)。雙極板除了需要具有導(dǎo)電性好、耐腐蝕性強(qiáng)、機(jī)械性能好、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，其氣體流道、密封性等設(shè)計(jì)還需要滿足燃料電池氣體擴(kuò)散和水管理等要求：氫氣/氧氣能夠快速、均勻、充分地?cái)U(kuò)散至催化劑表面，同時(shí)保證反應(yīng)產(chǎn)物水的及時(shí)排除，致使氣液固三相界面保持最優(yōu)狀態(tài)。同濟(jì)大學(xué)季運(yùn)康[8]通過(guò)CFD技術(shù)對(duì)平行流道、網(wǎng)格流道、蛇形流道、螺旋流道的雙極板傳質(zhì)面積、氣體分布均勻性及流道阻力進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)：雙極板為單流道時(shí)采用網(wǎng)格流道性能較佳，多流道時(shí)采用螺旋流道性能較佳。

2 車(chē)載氫系統(tǒng)

2.1 儲(chǔ)氫技術(shù)

氫能儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展，不僅有利于提高儲(chǔ)運(yùn)效率、降低儲(chǔ)運(yùn)成本、保障儲(chǔ)運(yùn)安全，更對(duì)燃料電池汽車(chē)的續(xù)航里程和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有著至關(guān)重要的影響。從存儲(chǔ)形態(tài)上，可將儲(chǔ)氫劃分為氣體儲(chǔ)氫、液體儲(chǔ)氫和固體儲(chǔ)氫三種[8]。短期內(nèi)能夠滿足車(chē)載儲(chǔ)氫要求的只有通過(guò)容器存儲(chǔ)壓縮氫氣。目前國(guó)內(nèi)大部分的車(chē)載儲(chǔ)氫瓶為35MPa鋁內(nèi)膽碳釬維全纏繞型，其較低的工作壓力使得燃料電池汽車(chē)在續(xù)航里程上并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì);不過(guò)70MPa鋁內(nèi)膽碳釬維全纏繞型儲(chǔ)氫瓶已經(jīng)有少量應(yīng)用了。國(guó)際上的主流車(chē)載儲(chǔ)氫技術(shù)為70MPa塑料內(nèi)膽碳釬維全纏繞型儲(chǔ)氫瓶，其質(zhì)量更低、內(nèi)膽的沖擊韌性更強(qiáng)。研究表明[8]：儲(chǔ)氫瓶的材料開(kāi)發(fā)與選擇、內(nèi)部復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、碳釬維纏繞方式設(shè)計(jì)等都對(duì)其儲(chǔ)氫性能有著至關(guān)重要的影響。

2.2 車(chē)載氫系統(tǒng)及氫安全

燃料電池汽車(chē)上與氫氣加注、存儲(chǔ)、輸送、供給、監(jiān)測(cè)和控制等有關(guān)的裝置統(tǒng)稱(chēng)為車(chē)載氫系統(tǒng)，車(chē)載氫系統(tǒng)與燃料電池汽車(chē)的氫安全密切相關(guān)[8]。氫安全是燃料電池汽車(chē)在安全方面所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，氫安全具有其特殊性，因?yàn)闅錃馐菢O度易燃易爆的高能量氣體;高壓氫氣又對(duì)存儲(chǔ)和輸送等裝置的密封性、耐沖擊性、可靠性等方面要求苛刻。儲(chǔ)氫容器、輸送管路和加氫口需要安裝在遠(yuǎn)離熱源、遠(yuǎn)離電弧源和機(jī)械防護(hù)性好的位置，同時(shí)需要監(jiān)控內(nèi)部氫氣的壓力、溫度和潛在泄漏點(diǎn)的氫氣濃度，并保證其具有密封性好、耐振動(dòng)等特性，避免極端情況下的氫氣泄漏及其導(dǎo)致的安全事故。此外，氫系統(tǒng)的主動(dòng)防護(hù)設(shè)計(jì)需保證：當(dāng)車(chē)輛發(fā)生嚴(yán)重碰撞等交通事故時(shí)，氫系統(tǒng)主閥會(huì)立刻自動(dòng)關(guān)閉，以切斷向管路的氫氣供應(yīng)。

氫安全不僅對(duì)燃料電池汽車(chē)本身提出了苛刻的要求，也對(duì)地下停車(chē)場(chǎng)和隧道等場(chǎng)地的安全設(shè)計(jì)提出了新的要求。一般而言，露天環(huán)境下的氫氣泄漏危害性較小，因?yàn)闅錃獾拿芏容p、會(huì)快速向上擴(kuò)散稀釋?zhuān)幢闶怯龅矫骰穑：π砸策h(yuǎn)小于汽油等傳統(tǒng)車(chē)載燃料;然而當(dāng)場(chǎng)地變成了地下停車(chē)場(chǎng)和隧道后，車(chē)輛上泄漏的氫氣會(huì)滯留、聚積并能夠大范圍擴(kuò)散，一旦泄漏量積累到一定程度后發(fā)生爆炸，將會(huì)危及整個(gè)停車(chē)場(chǎng)或隧道及其上層建筑，危害性極大。因此，當(dāng)燃料電池汽車(chē)初步普及后，不僅應(yīng)及時(shí)在有需求的地下停車(chē)場(chǎng)等場(chǎng)地安裝氫氣泄漏監(jiān)測(cè)設(shè)備，更要發(fā)展適合燃料電池汽車(chē)的敞開(kāi)式立體車(chē)庫(kù)。

3 結(jié)語(yǔ)

除了本文介紹的燃料電池電堆及其核心組件和車(chē)載氫系統(tǒng)以外，車(chē)載燃料電池管理系統(tǒng)、工業(yè)制氫技術(shù)和加氫站建設(shè)等[9]都對(duì)燃料電池汽車(chē)的商業(yè)化進(jìn)程有著舉足輕重的影響。在短期內(nèi)，國(guó)內(nèi)燃料電池汽車(chē)的大部分關(guān)鍵材料和組件還不得不依賴(lài)進(jìn)口。我們除了關(guān)注國(guó)內(nèi)燃料電池汽車(chē)產(chǎn)量和銷(xiāo)量的增長(zhǎng)外，更需加大核心部件的技術(shù)研發(fā)投入，把核心技術(shù)牢牢地掌握在自己手中。

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