燃料電池汽車關鍵技術研究現狀

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催化劑、隔膜、雙極板、車載氫系統等關鍵組件的技術特性和研究現狀，為燃料電池汽車的研發工作提供參考。

關鍵詞：燃料電池汽車;燃料電池電堆;車載氫系統

能源危機和環境危機等因素決定了新能源汽車的應用和普及是汽車行業發展的必然趨勢。當前鋰離子電池電動汽車的發展已經取得了顯著成就，不過其還存在著續航能力差、充電速度慢等缺點，嚴重制約了其進一步推廣應用。因此，政策決策者和市場參與者也越來越重視具有長續航里程、燃料加注時間短、無污染等優點的燃料電池汽車。然而，燃料電池汽車的商業化普及還面臨著許多問題。本文將重點介紹制約燃料電池汽車普及的核心組件的技術特性和研究現狀。

1 燃料電池電堆

1.1 燃料電池的原理

燃料電池的本質是一個高效的能量轉換器，是將氫氣的化學能直接、高效地轉化為電能。其通過允許質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拆分成兩個半反應[1]：在陽極催化層上發生的氫氧化反應和在陰極催化層上發生的氧還原反應;然后，電子只能通過外電路傳遞，從而為外電路上的負載提供電源。

1.2 催化劑

目前能滿足實際應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路線：一種是通過提高催化劑中貴金屬的原子利用率來大幅降低貴金屬的使用量，另一種是開發具有高效催化效果的非貴金屬催化劑。中科院長春應化所徐維林課題組[2]開發出了一種低成本的單原子貴金屬催化劑制備方法，通過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。重慶大學巍子棟課題組[3]采用緩慢的熱處理策略，合成了超高負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的氧還原催化活性，和更好的穩定性。盡管催化劑的低鉑化和非鉑化研究取得了不錯的進展，但是這些新型催化劑在穩定性、制備成本等方面難以與商業化鉑基催化劑相媲美，短期內商業化應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滿足以下要求：質子或者離子傳導率較高，氣體滲透性低，穩定性好，機械強度好，成本較低等。目前市場上絕大部分的車載氫燃料電池均是使用質子交換膜，其中全氟磺酸聚合物膜是應用最廣泛的質子交換膜，最具代表的就是美國杜邦公司研制的Nafion系列。質子交換膜的缺點除了高昂的成本外，還不利于催化劑的非鉑化和低鉑化進程。因為質子交換膜決定了催化劑的應用環境是在酸性介質中，而在酸性介質中，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展方向;在陰離子交換膜燃料電池研究領域中，最主要的是去解決OH-傳導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]等更強的有機堿作為頭部基團，構建離子穿梭機制，以加速OH-的傳輸過程。不過這些進展還無法改善陰離子交換膜低離子電導率的事實。

1.4 雙極板

雙極板的材料，主要分為石墨、金屬和復合材料三類。雙極板除了需要具有導電性好、耐腐蝕性強、機械性能好、質量輕等特點，其氣體流道、密封性等設計還需要滿足燃料電池氣體擴散和水管理等要求：氫氣/氧氣能夠快速、均勻、充分地擴散至催化劑表面，同時保證反應產物水的及時排除，致使氣液固三相界面保持最優狀態。同濟大學季運康[8]通過CFD技術對平行流道、網格流道、蛇形流道、螺旋流道的雙極板傳質面積、氣體分布均勻性及流道阻力進行對比研究發現：雙極板為單流道時采用網格流道性能較佳，多流道時采用螺旋流道性能較佳。

2 車載氫系統

2.1 儲氫技術

氫能儲存技術的發展，不僅有利于提高儲運效率、降低儲運成本、保障儲運安全，更對燃料電池汽車的續航里程和市場競爭力有著至關重要的影響。從存儲形態上，可將儲氫劃分為氣體儲氫、液體儲氫和固體儲氫三種[8]。短期內能夠滿足車載儲氫要求的只有通過容器存儲壓縮氫氣。目前國內大部分的車載儲氫瓶為35MPa鋁內膽碳釬維全纏繞型，其較低的工作壓力使得燃料電池汽車在續航里程上并無明顯優勢;不過70MPa鋁內膽碳釬維全纏繞型儲氫瓶已經有少量應用了。國際上的主流車載儲氫技術為70MPa塑料內膽碳釬維全纏繞型儲氫瓶，其質量更低、內膽的沖擊韌性更強。研究表明[8]：儲氫瓶的材料開發與選擇、內部復合結構設計、碳釬維纏繞方式設計等都對其儲氫性能有著至關重要的影響。

2.2 車載氫系統及氫安全

燃料電池汽車上與氫氣加注、存儲、輸送、供給、監測和控制等有關的裝置統稱為車載氫系統，車載氫系統與燃料電池汽車的氫安全密切相關[8]。氫安全是燃料電池汽車在安全方面所面臨的關鍵問題，氫安全具有其特殊性，因為氫氣是極度易燃易爆的高能量氣體;高壓氫氣又對存儲和輸送等裝置的密封性、耐沖擊性、可靠性等方面要求苛刻。儲氫容器、輸送管路和加氫口需要安裝在遠離熱源、遠離電弧源和機械防護性好的位置，同時需要監控內部氫氣的壓力、溫度和潛在泄漏點的氫氣濃度，并保證其具有密封性好、耐振動等特性，避免極端情況下的氫氣泄漏及其導致的安全事故。此外，氫系統的主動防護設計需保證：當車輛發生嚴重碰撞等交通事故時，氫系統主閥會立刻自動關閉，以切斷向管路的氫氣供應。

氫安全不僅對燃料電池汽車本身提出了苛刻的要求，也對地下停車場和隧道等場地的安全設計提出了新的要求。一般而言，露天環境下的氫氣泄漏危害性較小，因為氫氣的密度輕、會快速向上擴散稀釋，即便是遇到明火，危害性也遠小于汽油等傳統車載燃料;然而當場地變成了地下停車場和隧道后，車輛上泄漏的氫氣會滯留、聚積并能夠大范圍擴散，一旦泄漏量積累到一定程度后發生爆炸，將會危及整個停車場或隧道及其上層建筑，危害性極大。因此，當燃料電池汽車初步普及后，不僅應及時在有需求的地下停車場等場地安裝氫氣泄漏監測設備，更要發展適合燃料電池汽車的敞開式立體車庫。

3 結語

除了本文介紹的燃料電池電堆及其核心組件和車載氫系統以外，車載燃料電池管理系統、工業制氫技術和加氫站建設等[9]都對燃料電池汽車的商業化進程有著舉足輕重的影響。在短期內，國內燃料電池汽車的大部分關鍵材料和組件還不得不依賴進口。我們除了關注國內燃料電池汽車產量和銷量的增長外，更需加大核心部件的技術研發投入，把核心技術牢牢地掌握在自己手中。

參考文獻：

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[3]J.Li，S.G.Chen，Z.D.Wei，etal.Ultrahigh-LoadingZnSingle-AtomCatalystforHighlyEfficientOxygenReductionReactioninbothAcidicandAlkalineMedia[J].AngewandteChemieInternationalEdition，2019，21：7035-7039.

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