關于燃料電池汽車的關鍵技術分析介紹

導讀：燃料電池發(fā)電原理與原電池或二次電池相似，電解質隔膜兩側分別發(fā)生氫氧化反應與氧還原反應，電子通過外電路作功，反應產物為水（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。

中國燃料電池部分技術指標已經達到或超過全球同類商品的水平，未來燃料電池汽車可能滿地跑啦。與時俱進的你，一定很想知道其中的關鍵材料與技術。

1 車用燃料電池技術鏈

燃料電池發(fā)電原理與原電池或二次電池相似，電解質隔膜兩側分別發(fā)生氫氧化反應與氧還原反應，電子通過外電路作功，反應產物為水（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)電需要有一相對復雜的系統（圖2）。

圖2 燃料電池系統組成

燃料電池汽車動力鏈的主流技術為“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 燃料電池動力系統車上布局

2 燃料電池關鍵材料與部件

2.1電催化劑

電催化是燃料電池的關鍵材料之一，其作用促進氫、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納米籠結構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構，可降低Pt用量，提高質量比活性。如中國科學院大連化學物理研究所制備的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 PdPt核殼催化劑質量比活性與穩(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單原子層的核殼結構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用前景。

2.2 固態(tài)電解質膜

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

圖7 全氟磺酸Nafion膜的化學結構

圖8 國產膜與進口商品膜燃料電池性能比較

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

2.3 氣體擴散層（GDL）

GDL位于流場和催化層之間，其作用是支撐催化層、穩(wěn)定電極結構，并具有質/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（電炭黑和憎水劑構成）。表1為國產化碳紙與進口商品化碳紙比較，下一步需要建立批量生產設備。

表1 國產化碳紙與進口商品化碳紙性能比較

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

圖9 具有高孔隙率擴散層的膜電極

2.4 膜電極組件（MEA）

MEA是集膜、催化層、擴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組成示意圖

圖11 新型MEA（a）及性能(b)

2.5 雙極板（BP）

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

圖12雙極板

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

圖13 金屬雙極板耐腐蝕與導電性能

2.6 燃料電池電堆

燃料電池電堆（圖14）是燃料電池發(fā)電系統的核心。

圖14 燃料電池電堆結構

目前，中國科學院大連化學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、測試的完整技術體系，開發(fā)的燃料電池電堆（圖15）。

圖15 中國科學院大連化學物理研究所開發(fā)的燃料電池電堆

日本豐田燃料電池電堆采用3D流場設計（圖16），使流體產生垂直于催化層的分量，強化了傳質，降低了傳質極化。

圖16 Mirai燃料電池流場（a）與電堆（b）

3 燃料電池系統部件

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

3.1 空壓機

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

圖17 廣東省佛山廣順電器有限公司開發(fā)的空壓機

3.2 增濕器

反應氣通過增濕器把燃料電池反應所需的水帶入燃料電池內部，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尾氣的水，系統不需要增濕器部件。

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）、金屬內膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶（II型）、金屬內膽纖維全纏繞氣瓶（III型）及非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶（IV型）。國際上大部分燃料電池汽車采用的都是IV型瓶（圖19）。國內目前還沒有IV型高壓氫瓶的相應法規(guī)標準。

圖19 70MPa車載儲氫瓶（IV型）

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

4 結論

燃料電池電動汽車動力性能高、充電快、續(xù)駛里程長、接近零排放，是未來新能源汽車的有力競爭者。