付佩，周紫佳，蘭利波，陳穎，陳軼嵩

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，西安 710064）

在能源交通領(lǐng)域，氫能是一種清潔高效、來(lái)源廣泛的能源，是未來(lái)構(gòu)建以清潔能源為主的多能源供給系統(tǒng)的重要組成部分，而氫燃料電池汽車將是未來(lái)氫能發(fā)展的重要方向。目前，美國(guó)、日本等國(guó)家在氫燃料電池汽車的研究與開(kāi)發(fā)中居國(guó)際領(lǐng)先地位。

氫燃料電池汽車涉及領(lǐng)域廣泛，核心技術(shù)集成度高，其核心結(jié)構(gòu)為氫燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，主要由燃料電池堆、空氣子系統(tǒng)、氫氣子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)以及電氣與控制子系統(tǒng)構(gòu)成。其中，電氣與控制子系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)是新能源汽車的共性技術(shù)，而本文重點(diǎn)關(guān)注氫燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)所特有的關(guān)鍵技術(shù)，即圍繞燃料電池堆、空氣/氫氣子系統(tǒng)以及水熱管理子系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述。在燃料電池電堆方面，我國(guó)目前大部分裝車運(yùn)行的電堆，其比功率遠(yuǎn)低于國(guó)際先進(jìn)水平，且高昂的電堆成本嚴(yán)重限制了燃料電池汽車的發(fā)展。在電堆核心組件膜電極研發(fā)方面，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)與制造缺陷較多，國(guó)內(nèi)研發(fā)的膜電極功率密度、耐久性及貴金屬Pt載量等技術(shù)參數(shù)均有待進(jìn)一步提升，氣體擴(kuò)散層、雙極板等關(guān)鍵組件也大都依賴進(jìn)口?？諝鈮嚎s機(jī)和氫氣循環(huán)泵是氫燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)空氣子系統(tǒng)和氫氣子系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，為電堆提供壓縮空氣和氫氣，且空氣壓縮機(jī)和氫氣循環(huán)泵的性能決定著進(jìn)氣壓力、溫度、流量等參數(shù)，對(duì)電堆的輸出特性具有重要影響。在電池工作過(guò)程中，溫度和含水量是電堆工作的健康指標(biāo)，應(yīng)確保燃料電池的工作溫度在60～80 ℃，同時(shí)盡量避免燃料電池陰極側(cè)出現(xiàn)“水淹”現(xiàn)象、陽(yáng)極側(cè)出現(xiàn)缺水狀態(tài)以及保證質(zhì)子交換膜處于良好的水合狀態(tài)，良好的水熱管理技術(shù)可以有效提高電堆的輸出性能和使用壽命。

鑒于此，本文梳理了國(guó)內(nèi)外對(duì)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀，針對(duì)氫燃料電池電堆、膜電極和雙極板等關(guān)鍵組件、關(guān)鍵材料催化劑、空氣壓縮機(jī)和氫氣循環(huán)泵等關(guān)鍵零部件，以及水熱管理技術(shù)的研究現(xiàn)狀與不足之處進(jìn)行了詳細(xì)地闡述，最后進(jìn)行了趨勢(shì)展望。

1 電堆及其關(guān)鍵組件

1.1 電堆

為了滿足燃料電池汽車日益增長(zhǎng)的功率需求，電堆作為燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，需進(jìn)一步提高電堆功率。同時(shí)，降低電堆的成本，有利于燃料電池汽車的推廣應(yīng)用。

目前，我國(guó)燃料電池汽車的額定功率以50～70 kW 為主，而國(guó)外應(yīng)用在燃料電池汽車上的電堆功率已超過(guò)100 kW，我國(guó)燃料電池汽車的電堆功率等級(jí)普遍低于國(guó)際同類燃料電池汽車的電堆功率等級(jí)。隨著國(guó)家相關(guān)政策的落地實(shí)施，近兩年來(lái)，我國(guó)燃料電池汽車行業(yè)發(fā)展取得了明顯的進(jìn)步。表1 列舉了國(guó)內(nèi)外部分電堆廠家的技術(shù)水平，目前國(guó)內(nèi)大部分廠家生產(chǎn)的電堆，其性能指標(biāo)已基本達(dá)到了國(guó)家燃料電池汽車技術(shù)路線圖2020年所設(shè)定的目標(biāo)值：電堆功率≥70 kW、功率密度≥3.0 kW/L、使用壽命≥5 000 h 等參數(shù)。列表中，國(guó)內(nèi)最新電堆是否進(jìn)行實(shí)車應(yīng)用還未見(jiàn)報(bào)道，而國(guó)外高性能電堆已應(yīng)用于燃料電池汽車上。以豐田為例，其生產(chǎn)的第2 代燃料電池汽車（Mirai）所搭載的電堆，功率可達(dá)128 kW，功率密度為4.4 kW/L，具有小型化及高輸出的特點(diǎn)，已具備量產(chǎn)能力。相比之下，我國(guó)大部分廠家所生產(chǎn)的電堆，其性能水平仍需要進(jìn)一步提高。

表1 國(guó)內(nèi)外部分電堆廠商技術(shù)水平對(duì)比［5］

成本方面，圖2 展示了氫燃料電池汽車整車成本構(gòu)成，電堆大約占整車成本的40%以上，遠(yuǎn)高于其它組件，主要原因在于電堆中的催化劑貴金屬鉑的載量較高，使電堆中催化劑的成本較高（圖3）。此外，電堆的核心組件膜電極的制備工藝缺陷較多，使得催化劑的利用率不高，也是影響因素之一。

圖2 氫燃料電池汽車整車成本構(gòu)成

圖3 電堆成本構(gòu)成

總體來(lái)看，我國(guó)電堆在功率、壽命等技術(shù)參數(shù)方面已取得一定的進(jìn)步，但與國(guó)外電堆性能水平相比還有一定差距，國(guó)內(nèi)電堆中催化劑貴金屬鉑載量較高、核心組件膜電極制備工藝缺陷較多等，使成本問(wèn)題也成為制約燃料電池汽車發(fā)展的瓶頸。從燃料電池電堆的關(guān)鍵組件入手，通過(guò)改進(jìn)膜電極、催化劑以及雙極板的制備工藝與性能，可有效提高電堆的功率，同時(shí)降低電堆的成本。下面，將分別從膜電極、催化劑和雙極板三方面進(jìn)行闡述。

1.2 膜電極

膜電極（MEA）是燃料電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所以及質(zhì)子傳遞、電子傳導(dǎo)和氣體擴(kuò)散的微通道。其結(jié)構(gòu)如圖4 所示，由催化層（CL）、氣體擴(kuò)散層（GDL）和質(zhì)子交換膜（PEM）構(gòu)成。

圖4 膜電極組件結(jié)構(gòu)［8］

傳統(tǒng)膜電極（MEA）的制備方法有兩類，分別是CCS（Catalyst-Coated Substrate）法和CCM（Catalyst-Coated Membrane）法，其制備流程如圖5 所示。CCS法是將催化層涂覆在氣體擴(kuò)散層上，再熱壓置質(zhì)子交換膜的兩側(cè)得到膜電極，如圖5a 所示，該方法采用的催化層較厚，催化劑利用率較低。 CCM 法是將催化層涂覆在質(zhì)子交換膜兩側(cè)，再分別熱壓置氣體擴(kuò)散層上得到的膜電極，如圖5b所示，該方法采用的催化層較薄，厚度在10 μm 左右，且與質(zhì)子交換膜結(jié)合較好，能大幅降低質(zhì)子傳遞阻力，降低極化損失。目前，實(shí)驗(yàn)室及商業(yè)制備的膜電極主要采用CCM法。

圖5 傳統(tǒng)MEA制備流程［9］

表2對(duì)比了國(guó)內(nèi)部分企業(yè)所生產(chǎn)的膜電極性能參數(shù)。其中，鴻基創(chuàng)能所生產(chǎn)的膜電極功率密度超過(guò)1 W/cm，測(cè)試使用壽命達(dá)到1～2 萬(wàn)小時(shí)，已基本滿足產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需求。但傳統(tǒng)膜電極制備工藝所生產(chǎn)的無(wú)序化膜電極，其內(nèi)部催化層中物質(zhì)與孔隙呈不均勻性，導(dǎo)致催化層的三相邊界混亂，會(huì)對(duì)電化學(xué)反應(yīng)速率和效率造成影響。因此，有研究者開(kāi)始對(duì)催化層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有序化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)催化層的質(zhì)子傳導(dǎo)、離子傳導(dǎo)以及氣體擴(kuò)散通道的有序排列來(lái)擴(kuò)大三相反應(yīng)界面，減少傳質(zhì)阻力，提高催化劑的利用率。目前3M 公司已成功研發(fā)了有序化膜電極——NSTF 電極，其質(zhì)量比活性是傳統(tǒng)的Pt/C 催化劑活性的5～10倍，電極的厚度是傳統(tǒng)催化層厚度的1/30～1/20。但NSTF 膜電極由于電極水淹等問(wèn)題，還沒(méi)有得到大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。

表2 國(guó)內(nèi)部分膜電極企業(yè)技術(shù)水平對(duì)比

相比于傳統(tǒng)制備方法所生產(chǎn)的無(wú)序化膜電極，有序化膜電極在綜合性能上更優(yōu)越，將是膜電極的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。相信隨著電極水淹等問(wèn)題的進(jìn)一步解決，有序化膜電極將在電堆上得到大規(guī)模應(yīng)用。

1.3 催化劑

催化劑的作用主要是降低電化學(xué)反應(yīng)的活化能，加快電化學(xué)反應(yīng)速率。目前，燃料電池汽車用催化劑主要是貴金屬Pt，其成本高昂，約占膜電極的54%，且Pt資源有限，難以負(fù)擔(dān)燃料電池汽車用催化劑的消耗，這些問(wèn)題都制約著燃料電池汽車的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

美國(guó)能源部2020 年提出的燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的催化劑鉑載量技術(shù)指標(biāo)為0.125 g/kW，目前國(guó)內(nèi)燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的催化劑鉑載量最低為0.2 g/kW，與該技術(shù)指標(biāo)還有一定的差距。表3列舉了6 家具有代表性的汽車公司所研發(fā)的燃料電池汽車的功率、鉑用量以及鉑載量，其中鉑載量最少的是豐田公司，約為0.074 g/kW，已超過(guò)0.125 g/kW技術(shù)指標(biāo)。

表3 各車企燃料電池汽車功率、鉑用量和鉑載量技術(shù)指標(biāo)［14］

為降低燃料電池汽車用催化劑Pt載量，開(kāi)發(fā)新型高穩(wěn)定性、高活性的低鉑或非鉑催化劑成為了研究熱點(diǎn)。低鉑催化劑是通過(guò)在鉑催化劑中添加過(guò)渡金屬Cr、Ni、Co、Cu 等形成合金催化劑，在提高穩(wěn)定性、質(zhì)量比活性時(shí)減少了鉑用量，使催化劑成本大幅下降。2015 年，HUANG Xiaoqing 等通過(guò)摻雜過(guò)渡金屬M(fèi)o 制備了Mo-PtNi/C 催化劑，其比活性和質(zhì)量活性分別是商業(yè)Pt/C 催化劑的81倍和73 倍。2017 年，ZHANG Hongjie 等制備的PtNi 合金納米枝條狀催化劑，經(jīng)單電池測(cè)試表明，在相同鉑載量條件下，其最大功率密度要高于商業(yè)Pt/C 催化劑。2017 年，大連化物所研制的PtCu 合金催化劑，其質(zhì)量比活性是Pt/C 催化劑的3.8倍，展示了較好的應(yīng)用前景。上述鉑基合金結(jié)構(gòu)催化劑雖然比活性要高于商業(yè)Pt/C催化劑，但Pt的利用率卻不高，且采用有機(jī)溶膠法、電化學(xué)還原沉積法等傳統(tǒng)制備方法，制備工藝復(fù)雜，不能有效降低鉑載量，因此需要開(kāi)發(fā)其他結(jié)構(gòu)的低鉑催化劑和制備方法以提高鉑的利用率。目前，針對(duì)中空構(gòu)型核殼結(jié)構(gòu)催化劑，采用伽爾瓦歷還原制備方法可有效提高鉑的利用率，且制備方法簡(jiǎn)單有效，可大幅降低鉑載量，有望商業(yè)化應(yīng)用在燃料電池上。非鉑催化劑分為非貴金屬催化劑和非金屬催化劑，目前主要以Fe/N/C為主流方向。以非鉑催化劑制備的膜電極組件的功率密度基本能夠達(dá)到商業(yè)Pt/C 催化劑功率密度的一半。在酸性條件下，非鉑催化劑的催化活性要低于商業(yè)Pt/C 催化劑。制備時(shí)，為確保催化活性，必須使用較高的載量，這會(huì)導(dǎo)致催化層傳質(zhì)困難、催化劑利用率低等問(wèn)題。

綜上所述，低鉑催化劑的催化活性以及所制備的膜電極功率密度要遠(yuǎn)高于非鉑催化劑，已達(dá)到甚至超過(guò)商業(yè)Pt/C 催化劑。目前，可重點(diǎn)研究中空構(gòu)型核殼結(jié)構(gòu)型低鉑催化劑和伽爾瓦歷制備方法，以進(jìn)一步提高鉑利用率，大幅降低鉑載量，爭(zhēng)取早日應(yīng)用在燃料電池汽車上。

1.4 雙極板

雙極板的主要作用是為膜電極提供支撐、分配反應(yīng)氣體、協(xié)助排除多余水分以及收集輸出電流，因而也是燃料電池電堆的重要組成部分。對(duì)于雙極板的設(shè)計(jì)，需要滿足質(zhì)量輕、易加工、導(dǎo)電性好等要求。目前，雙極板根據(jù)材料主要分為石墨板、金屬板和復(fù)合板三大類，表4 歸納了3 種雙極板的主要優(yōu)缺點(diǎn)。

表4 雙極板優(yōu)缺點(diǎn)

石墨雙極板是燃料電池最常用的雙極板，已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。在制備工藝上，國(guó)內(nèi)主要采用機(jī)加工方式，缺點(diǎn)是成本高，不易成形超薄石墨板（厚度小于1.5 mm），而國(guó)外廠商可以直接采用注塑成型或模壓成型的生產(chǎn)方式，但注塑成型不適合大規(guī)模生產(chǎn)。目前，石墨雙極板的主流供應(yīng)商有美國(guó)的POCO 公司、加拿大的Ballard 公司等，國(guó)內(nèi)主要有杭州鑫能石墨有限公司和上海弘楓有限公司等。上海弘楓公司研制的超薄石墨雙極板，其功率密度開(kāi)始接近豐田第1 代金屬雙極板的水平。今后，石墨雙極板的研究重點(diǎn)是改進(jìn)制備工藝以成形超薄石墨板，從而進(jìn)一步提高電堆功率密度。

金屬雙極板是目前行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，有著良好的機(jī)械性能，高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，且材料來(lái)源廣泛，目前常用的材料是不銹鋼或鈦材。但在燃料電池酸性、濕熱環(huán)境下，金屬雙極板容易腐蝕，因此需要對(duì)金屬雙極板表面做耐腐蝕涂層處理。根據(jù)涂層的元素組成，涂層可分為金屬涂層、非金屬涂層和復(fù)合涂層（表5）。由于非金屬涂層制備簡(jiǎn)單、成本低，適合大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，將成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

表5 金屬雙極板表面涂層處理［27］

復(fù)合雙極板包括材料復(fù)合和結(jié)構(gòu)復(fù)合兩種類型。前者是由石墨粉（金屬顆粒）和樹(shù)脂混合再經(jīng)過(guò)壓模或注模形成雙極板，該類雙極板盡管重量輕，易加工，有著良好的腐蝕阻抗，但導(dǎo)電性差，因此，需要綜合考慮各種組分，以獲得優(yōu)良的導(dǎo)電性和機(jī)械性能。結(jié)構(gòu)復(fù)合型雙極板一般采用層層復(fù)合結(jié)構(gòu)，例如日本豐田公司的金屬鈦板與金屬細(xì)網(wǎng)流場(chǎng)組合的空氣側(cè)極板，該類雙極板結(jié)合了石墨板和金屬板的優(yōu)點(diǎn)，具有耐腐蝕、導(dǎo)電性好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是制備過(guò)程較為繁瑣，加工周期較長(zhǎng)且可靠性較差，應(yīng)用有限。

石墨雙極板和復(fù)合雙極板一般應(yīng)用在中、低功率電堆中，金屬雙極板更適合應(yīng)用在高功率電堆上。為適應(yīng)我國(guó)燃料電池汽車高功率的發(fā)展趨勢(shì)，今后可重點(diǎn)開(kāi)展金屬雙極板的研發(fā)。

本節(jié)圍繞氫燃料電池電堆介紹了國(guó)內(nèi)外電堆的性能水平，表明我國(guó)電堆在提高功率方面已取得一定的進(jìn)步，但與國(guó)外水平還存在差距。為進(jìn)一步提高電堆性能，降低電堆成本，可通過(guò)改進(jìn)電堆關(guān)鍵組件膜電極、催化劑以及雙極板的制備工藝與性能來(lái)實(shí)現(xiàn)。改進(jìn)膜電極的制備工藝，發(fā)展有序化膜電極可有效提高電池反應(yīng)效率和催化劑利用率。低鉑催化劑已取得較大技術(shù)進(jìn)步，其催化活性以及所制備的膜電極功率密度已達(dá)到甚至超過(guò)商業(yè)Pt/C 催化劑，未來(lái)可重點(diǎn)研究中空構(gòu)型核殼結(jié)構(gòu)型低鉑催化劑和伽爾瓦歷制備方法，以進(jìn)一步提高催化劑利用率，大幅降低燃料電池的鉑載量。在雙極板研發(fā)方面，應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)展金屬雙極板和表面耐腐蝕涂層技術(shù)的研發(fā)，以適應(yīng)高功率電堆的發(fā)展趨勢(shì)。

2 關(guān)鍵零部件

空氣壓縮機(jī)和氫氣循環(huán)泵是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)對(duì)進(jìn)堆的空氣和氫氣進(jìn)行增壓，可提高電堆的輸出功率和效率，且氣體的壓力、溫度、流量等參數(shù)對(duì)電堆的電化學(xué)反應(yīng)有著重要影響，因此，空氣壓縮機(jī)和氫氣循環(huán)泵的性能對(duì)燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著重要影響。

2.1 空氣壓縮機(jī)

空氣壓縮機(jī)的性能直接影響著整個(gè)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比、效率、噪聲等重要性能指標(biāo)。表6列舉了一些燃料電池汽車用空氣壓縮機(jī)的性能要求及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。燃料電池汽車空氣壓縮機(jī)要滿足無(wú)油、小型輕量化、低噪聲、響應(yīng)快和耐久等性能要求，以防止?jié)櫥偷母蓴_、節(jié)省汽車內(nèi)部空間、提高乘坐舒適性、及時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)和提高使用壽命。相應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)也將集中在空氣軸承技術(shù)、小型化高轉(zhuǎn)速、消聲、隔聲和吸聲技術(shù)、快速響應(yīng)的控制系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)耐磨性好的涂層和材料等方面。

表6 燃料電池汽車空氣壓縮機(jī)相關(guān)要求及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)［29］

未來(lái)隨著燃料電池汽車向著高度集成化、高功率密度方向發(fā)展，空氣壓縮機(jī)將向著大功率、大流量、小型化等趨勢(shì)發(fā)展。

目前，國(guó)內(nèi)燃料電池汽車用空氣壓縮機(jī)的研發(fā)還處于起步階段。北京科技大學(xué)任天明研制的高速離心式空氣壓縮機(jī)經(jīng)驗(yàn)證符合50 kW 級(jí)燃料電池的應(yīng)用，2019 年6 月中國(guó)科學(xué)技術(shù)部啟動(dòng)的重點(diǎn)項(xiàng)目，包含滿足16 kW，壓比達(dá)2.5 等參數(shù)的壓縮機(jī)研發(fā)子項(xiàng)目。國(guó)際上，由于研發(fā)投入較早，燃料電池汽車用空氣壓縮機(jī)技術(shù)已產(chǎn)業(yè)化并在多款汽車上運(yùn)行使用。

燃料電池汽車用空氣壓縮機(jī)主要有離心式、螺桿式、羅茨式、渦旋式等，相關(guān)特性對(duì)比見(jiàn)表7。目前，國(guó)內(nèi)螺桿式空氣壓縮機(jī)所占市場(chǎng)份額相對(duì)較多，但已經(jīng)有越來(lái)越多的燃料電池系統(tǒng)廠商轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)速高的離心式空氣壓縮機(jī)。目前，離心式空氣壓縮機(jī)被各國(guó)著名汽車公司認(rèn)為是未來(lái)主流方向，前景廣闊。國(guó)內(nèi)可重點(diǎn)加大離心式空氣壓縮機(jī)的研發(fā)投入力度，早日爭(zhēng)取產(chǎn)業(yè)化落地。

表7 四種燃料電池汽車用空氣壓縮機(jī)特性對(duì)比及相關(guān)生產(chǎn)公司

2.2 氫氣循環(huán)泵

氫氣循環(huán)泵是燃料電池供氫系統(tǒng)的核心零部件，可以實(shí)現(xiàn)將電堆的尾排端氫氣重新加壓至電堆入端口，實(shí)現(xiàn)氫氣的循環(huán)利用。同時(shí)，可以將化學(xué)反應(yīng)生成水供應(yīng)到電堆，改善電堆濕潤(rùn)水平，提高水管理能力。對(duì)于氫氣循環(huán)泵來(lái)說(shuō)，要滿足密封性好、耐水性強(qiáng)、流量大、壓力輸出穩(wěn)定、無(wú)油等要求，技術(shù)難度相較于傳統(tǒng)氣體循環(huán)泵要高很多。有關(guān)氫氣循環(huán)泵類型及涉及企業(yè)見(jiàn)表8，目前我國(guó)氫氣循環(huán)泵仍處于開(kāi)發(fā)與研制階段，國(guó)內(nèi)凱瑞動(dòng)力目前已基本完成氫氣循環(huán)泵的研發(fā)與試制，其樣品使用壽命超1 萬(wàn)小時(shí)，待生產(chǎn)細(xì)節(jié)完善，即可大規(guī)模制造，推向市場(chǎng)。

表8 氫氣循環(huán)泵類型及涉足企業(yè)

王學(xué)科等設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的小型氫氣循環(huán)泵，經(jīng)測(cè)試，滿足系統(tǒng)對(duì)氫氣循環(huán)泵的性能要求。HE Hongwen 等為實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)的更好控制，提出了一種適用于氫氣循環(huán)系統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制方法，此方法通過(guò)預(yù)測(cè)回管壓力和泵的角速度可以調(diào)整氫氣循環(huán)泵，并設(shè)計(jì)了氫氣循環(huán)泵的模型預(yù)測(cè)控制器。

目前，國(guó)內(nèi)燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正朝著大功率方向發(fā)展，但適配60 kW 及以上電堆的大流量氫氣循環(huán)泵不夠成熟，與國(guó)外企業(yè)的技術(shù)水平差距顯著，還不具備成熟的制備工藝。研發(fā)方面，受政策多變、市場(chǎng)不穩(wěn)定等因素影響，國(guó)內(nèi)企業(yè)在氫氣循環(huán)泵研發(fā)上動(dòng)力不足。

未來(lái)隨著燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)朝著高功率密度、高度集成化方向發(fā)展，氫氣循環(huán)泵將朝著大流量、小型化、低功耗、高效率方向發(fā)展。需要形成穩(wěn)定、良好的政策市場(chǎng)環(huán)境，以助于技術(shù)發(fā)展，完善我國(guó)技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈。

3 水熱管理技術(shù)

對(duì)燃料電池汽車而言，燃料電池的水熱管理十分重要。水管理方面，燃料電池的陰極側(cè)是生成水的場(chǎng)所，一般易“水淹”，會(huì)堵塞反應(yīng)氣體的傳輸通道，影響燃料電池的反應(yīng)速率；而陽(yáng)極側(cè)缺水，不利于質(zhì)子從陽(yáng)極運(yùn)輸?shù)疥帢O，也會(huì)影響燃料電池的反應(yīng)速率；此外，為保證質(zhì)子交換膜具有較高的傳輸效率，還需使質(zhì)子交換膜處于良好的水合狀態(tài)。熱管理方面，燃料電池的工作溫度通常在60～80 ℃，溫度過(guò)高會(huì)造成質(zhì)子交換膜脫水，影響燃料電池的使用壽命。因此，必須對(duì)燃料電池的水熱進(jìn)行有效管理，以維持燃料電池的正常工作。

3.1 水管理技術(shù)

目前，燃料電池水管理的方法主要有：（1）優(yōu)化雙極板的流場(chǎng)；（2）優(yōu)化氣體擴(kuò)散層中微孔結(jié)構(gòu)和尺寸；（3）改變構(gòu)成部件親疏水性等；（4）外部增濕或內(nèi)部增濕方法。

優(yōu)化雙極板流場(chǎng)不僅可以促進(jìn)傳質(zhì)，還能提高水分的傳遞能力，避免燃料電池出現(xiàn)“水淹”現(xiàn)象。目前的流場(chǎng)設(shè)計(jì)包括平行流場(chǎng)、蛇形流場(chǎng)、交指流場(chǎng)和點(diǎn)狀流場(chǎng)等，其優(yōu)劣對(duì)比見(jiàn)表9。流場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)克服傳統(tǒng)單一結(jié)構(gòu)的局限性，考慮變工況條件下，組合不同流場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，來(lái)提高燃料電池性能。日本豐田公司的Mirai 燃料電池汽車首次采用了新型三維精細(xì)網(wǎng)格流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)表面親水性流場(chǎng)設(shè)計(jì)，能夠快速排出電極上所生成的水，此外，窄化流道脊，增強(qiáng)了湍流，提高了空氣擴(kuò)散率，有效提升了燃料電池的輸出性能。

表9 不同流場(chǎng)優(yōu)劣對(duì)比及優(yōu)化方向［26］

氣體擴(kuò)散層除了是反應(yīng)氣體的傳輸通道外，水分也會(huì)經(jīng)過(guò)微孔排除。優(yōu)化氣體擴(kuò)散層中微孔結(jié)構(gòu)和尺寸有利于弱化水的表面張力所帶來(lái)的危害，從而改善燃料電池的排水性能。另一方面，通過(guò)添加二氧化硅，改變質(zhì)子交換膜的親水性，使之能涵養(yǎng)更多的水分，進(jìn)而提高質(zhì)子的傳輸效率，使燃料電池的輸出能力得到提高，這也是一種十分有效的水管理措施，但其制造成本昂貴，失敗率也很高。

除此之外，燃料電池汽車上也采用外部增濕或內(nèi)部增濕的方法，進(jìn)行水管理，通過(guò)安裝相對(duì)濕度傳感器，在線監(jiān)測(cè)燃料電池水含量，優(yōu)化系統(tǒng)控制，避免燃料電池出現(xiàn)缺水或水淹等狀況，以維持燃料電池的正常工作。

3.2 熱管理技術(shù)

目前燃料電池的散熱方式主要有空氣冷卻、液體冷卻和相變冷卻，見(jiàn)表10。目前，應(yīng)用最廣泛的是空氣冷卻和液體冷卻。對(duì)于大功率燃料電池汽車而言，最可行的冷卻方式是液體冷卻，目前豐田的Mirai、本田的Clarity 和現(xiàn)代的Nexo 等3 款燃料電池汽車均是使用液體冷卻帶走電堆廢熱。

表10 燃料電池散熱方式［41］

傳統(tǒng)的冷卻方法可進(jìn)行有效散熱，但在響應(yīng)速度、穩(wěn)定性方面需要采取控制策略來(lái)解決。目前常用的控制策略包括PID 控制、預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制和模糊控制等，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)表11。目前，單一控制策略難以對(duì)燃料電池系統(tǒng)這樣一個(gè)多輸入、多輸出的系統(tǒng)進(jìn)行有效的、多方面的控制，需要協(xié)同不同控制策略，綜合各自優(yōu)點(diǎn)，對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，達(dá)到提高燃料電池性能的效果。

表11 燃料電池?zé)峁芾砜刂撇呗詫?duì)比［42］

4 總結(jié)及趨勢(shì)展望

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外氫燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的電堆及其關(guān)鍵組件、關(guān)鍵零部件以及水熱管理技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，以期為氫燃料電池汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)提供參考。

電堆及其關(guān)鍵組件方面：（1）我國(guó)電堆在功率、壽命等技術(shù)參數(shù)方面已取得一定的進(jìn)步，但與國(guó)外電堆性能水平相比還有一定差距，未來(lái)電堆將繼續(xù)朝著高功率、低成本方向發(fā)展。（2）改進(jìn)膜電極的制備工藝，發(fā)展有序化膜電極可有效提高電池反應(yīng)效率和催化劑利用率。（3）低鉑催化劑已取得較大技術(shù)進(jìn)步，未來(lái)可重點(diǎn)研究中空構(gòu)型核殼結(jié)構(gòu)型低鉑催化劑和伽爾瓦歷制備方法，以進(jìn)一步降低鉑載量。（4）金屬雙極板更適合應(yīng)用于高功率電堆，今后可重點(diǎn)開(kāi)展金屬雙極板及其表面耐腐蝕涂層技術(shù)的研發(fā)。

關(guān)鍵零部件方面：（1）國(guó)內(nèi)對(duì)空氣壓縮機(jī)的研發(fā)還處于起步階段，未來(lái)空氣壓縮機(jī)將向著小型輕量化、大功率等方向發(fā)展。離心式空氣壓縮機(jī)具有小型輕量化、高轉(zhuǎn)速等特點(diǎn)，可重點(diǎn)加大離心式空氣壓縮機(jī)的研發(fā)力度。（2）國(guó)內(nèi)外氫氣循環(huán)泵技術(shù)研究較少，國(guó)內(nèi)適配60 kW 及以上電堆的大功率氫氣循環(huán)泵還不夠成熟。未來(lái)氫氣循環(huán)泵將向著小型化、大流量、低功耗、高效率方向發(fā)展。

水熱管理技術(shù)方面：（1）目前水管理技術(shù)主要有優(yōu)化雙極板流場(chǎng)、優(yōu)化氣體擴(kuò)散層中微孔結(jié)構(gòu)和尺寸、改變構(gòu)成部件親疏水以及外部增濕或內(nèi)部增濕法。其中改變構(gòu)成部件親疏水性制造成本、失敗率偏高，因此，可重點(diǎn)考慮優(yōu)化雙極板流場(chǎng)和氣體擴(kuò)散層微孔結(jié)構(gòu)與尺寸。（2）目前大功率氫燃料電池汽車主要采用液體冷卻方式，為提高熱管理的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，可采用復(fù)合控制策略，綜合不同控制策略優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到良好的控制效果。