燃料電池汽車的關(guān)鍵技術(shù)

中國燃料電池部分技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到或*類商品的水平，未來燃料電池汽車可能滿地跑啦。與時俱進(jìn)的你，一定很想知道其中的關(guān)鍵材料與技術(shù)。

1. 車用燃料電池技術(shù)鏈

燃料電池發(fā)電原理與原電池或二次電池相似，電解質(zhì)隔膜兩側(cè)分別發(fā)生氫氧化反應(yīng)與氧還原反應(yīng)，電子通過外電路作功，反應(yīng)產(chǎn)物為水（圖1）。燃料電池單電池包括膜電極組件（MEA）、雙極板及密封元件等。

圖1 燃料電池工作原理

與原電池和二次電池不同的是，燃料電池發(fā)電需要有一相對復(fù)雜的系統(tǒng)（圖2）。

圖2 燃料電池系統(tǒng)組成

燃料電池汽車動力鏈的主流技術(shù)為“電-電”混合模式（圖3），平穩(wěn)運行時依靠燃料電池提供動力，需要高功率輸出時，燃料電池與二次電池共同供電，在低載或怠速工況燃料電池給二次電池充電。

圖3 燃料電池汽車動力鏈組成

典型的燃料電池動力系統(tǒng)車上布局如圖4所示，可采用底板布局或前艙布局。

圖4 燃料電池動力系統(tǒng)車上布局

2 燃料電池關(guān)鍵材料與部件

2.1 電催化劑

電催化是燃料電池的關(guān)鍵材料之一，其作用促進(jìn)氫、氧在電極上的氧化還原過程。研究新型高穩(wěn)定、高活性的低Pt或非Pt催化劑是目前的熱點。

2.1.1 Pt-M催化劑

Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C等二元合金催化劑，在提高穩(wěn)定性的同時，也提高質(zhì)量比活性，還降低了貴金屬的用量。如Chen等制備了高活性與高穩(wěn)定性的電催化劑（圖5）。

圖5 Pt3Ni 納米籠結(jié)構(gòu)ORR 催化劑形成過程

2.1.2 Pt核殼催化劑

利用非Pt材料為支撐核、表面貴金屬為殼的結(jié)構(gòu)，可降低Pt用量，提高質(zhì)量比活性。如中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所制備的Pd@Pt/C核殼催化劑，其氧還原活性與穩(wěn)定性好于商業(yè)化Pt/C催化劑（圖6）。

圖6 Pd Pt 核殼催化劑質(zhì)量比活性與穩(wěn)定性與商業(yè)化催化劑比較

2.1.3 Pt單原子層催化劑

制備Pt單原子層的核殼結(jié)構(gòu)催化劑是一種有效降低Pt用量、提高Pt利用率，同時改善催化劑的ORR性能的方式。美國國家實驗室Adzic的研究組和海交通大學(xué)張俊良等在這方面比較活躍。

2.1.4 非貴金屬催化劑

非貴金屬催化劑的研究主要包括過渡金屬原子簇合物、過渡金屬螯合物、過渡金屬氮化物與碳化物等。在這方面，各種雜原子摻雜的納米碳材料成為研究熱點，如N摻雜的非貴金屬催化劑顯示了較好的應(yīng)用前景。

2.2 固態(tài)電解質(zhì)膜

車用燃料電池中質(zhì)子交換膜（PEM）是一種固態(tài)電解質(zhì)膜，其作用是隔離燃料與氧化劑、傳遞質(zhì)子（H⁺）。目前常用的商業(yè)化質(zhì)子交換膜是全氟磺酸膜，其化學(xué)式如圖7所示。

圖7 全氟磺酸Nafion膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)

山東東岳集團(tuán)長期致力于全氟離子交換樹脂和含氟功能材料的研發(fā)，產(chǎn)品的性能達(dá)到商品化水平（圖8），但批量生產(chǎn)線還有待進(jìn)一步建設(shè)。

圖8 國產(chǎn)膜與進(jìn)口商品膜燃料電池性能比較（東岳公司提供）

此外，為了提高性能，日趨薄化的質(zhì)子交換膜耐久性受到考驗，于是一系列質(zhì)膜改性而來的增強(qiáng)復(fù)合膜不斷被開發(fā)出來。

2.3 氣體擴(kuò)散層（GDL）

GDL位于流場和催化層之間，其作用是支撐催化層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，并具有質(zhì)/熱/電的傳遞功能。通常GDL由支撐層（憎水處理過的多孔碳紙或碳布）和微孔層組成（電炭黑和憎水劑構(gòu)成）。表1為國產(chǎn)化碳紙與進(jìn)口商品化碳紙比較，下一步需要建立批量生產(chǎn)設(shè)備。

表1 國產(chǎn)化碳紙與進(jìn)口商品化碳紙性能比較

除了改進(jìn)氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)電功能外，近些年對氣體擴(kuò)散層的傳質(zhì)功能研究也逐漸引起人們重視（圖9）。

圖9 具有高孔隙率擴(kuò)散層的膜電極

2.4 膜電極組件（MEA）

MEA是集膜、催化層、擴(kuò)散層于一體的組合件，是燃料電池的核心部件之一（圖10）。

圖10 MEA組成示意

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開發(fā)了新型MEA（圖11），達(dá)到水平。

圖11 新型MEA（a）及性能(b)

2.5 雙極板（BP）

BP的作用是傳導(dǎo)電子、分配反應(yīng)氣并帶走生成水。采用的雙極板材料如圖12所示。

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究了金屬雙極板表面改性技術(shù)，提高雙極板的導(dǎo)電、耐腐蝕性（圖13）。

圖13 金屬雙極板耐腐蝕與導(dǎo)電性能

2.6 燃料電池電堆

燃料電池電堆（圖14）是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的核心。

圖14 燃料電池電堆結(jié)構(gòu)

目前，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所已建立了從材料、MEA、雙極板部件的制備到電堆組裝、測試的完整技術(shù)體系，開發(fā)的燃料電池電堆（圖15）。

圖15 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開發(fā)的燃料電池電堆

日本豐田燃料電池電堆采用3D流場設(shè)計（圖16），使流體產(chǎn)生垂直于催化層的分量，強(qiáng)化了傳質(zhì)，降低了傳質(zhì)極化。

圖16 Mirai燃料電池流場（a）與電堆（b）

3 燃料電池系統(tǒng)部件

燃料電池包括燃料供應(yīng)子系統(tǒng)、氧化劑供應(yīng)子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)及監(jiān)控子系統(tǒng)等，主要系統(tǒng)部件包括空壓機(jī)、增濕器、氫氣循環(huán)泵、高壓氫瓶等。

3.1 空壓機(jī)

車載空壓機(jī)的任務(wù)是提供燃料電池發(fā)電所需要的氧化劑（空氣中的氧氣），常用的空壓機(jī)種類有離心式、螺桿式、羅茨式等。目前，空壓機(jī)還是瓶頸技術(shù)之一，廣東省佛山廣順電器有限公司正在研究空壓機(jī)（圖17）。

圖17 廣東省佛山廣順電器有限公司開發(fā)的空壓機(jī)

3.2 增濕器

反應(yīng)氣通過增濕器把燃料電池反應(yīng)所需的水帶入燃料電池內(nèi)部，常用的增濕器形式包括膜增濕器、焓輪增濕器（圖18）等。目前，發(fā)展趨勢是采用氫氣回流泵帶入反應(yīng)尾氣的水，系統(tǒng)不需要增濕器部件。

圖18 燃料電池增濕器

3.3 高壓氫瓶

氫瓶主要分為四種類型：全金屬氣瓶（I型）、金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶（II型）、金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶（III型）及非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶（IV型）。上大部分燃料電池汽車采用的都是IV型瓶（圖19）。國內(nèi)目前還沒有IV型高壓氫瓶的相應(yīng)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

圖19 70MPa車載儲氫瓶（IV型）

除了上述的系統(tǒng)部件外，系統(tǒng)的控制策略也非常重要?？梢栽诂F(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上通過優(yōu)化控制策略，提高耐久性。