燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)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(tǒng)等關(guān)鍵組件的技術(shù)特性和研究現(xiàn)狀，為燃料電池汽車的研發(fā)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池汽車;燃料電池電堆;車載氫系統(tǒng)

能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)等因素決定了新能源汽車的應(yīng)用和普及是汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。當(dāng)前鋰離子電池電動(dòng)汽車的發(fā)展已經(jīng)取得了顯著成就，不過其還存在著續(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，政策決策者和市場參與者也越來越重視具有長續(xù)航里程、燃料加注時(shí)間短、無污染等優(yōu)點(diǎn)的燃料電池汽車。然而，燃料電池汽車的商業(yè)化普及還面臨著許多問題。本文將重點(diǎn)介紹制約燃料電池汽車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(fā)具有高效催化效果的非貴金屬催化劑。中科院長春應(yīng)化所徐維林課題組[2]開發(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。目前市場上絕大部分的車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-的傳輸過程。不過這些進(jìn)展還無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。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)燃料電池汽車的續(xù)航里程和市場競爭力有著至關(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)能夠滿足車載儲(chǔ)氫要求的只有通過容器存儲(chǔ)壓縮氫氣。目前國內(nèi)大部分的車載儲(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在續(xù)航里程上并無明顯優(yōu)勢;不過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。國際上的主流車載儲(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 車載氫系統(tǒng)及氫安全

燃料電池汽車上與氫氣加注、存儲(chǔ)、輸送、供給、監(jiān)測和控制等有關(guān)的裝置統(tǒng)稱為車載氫系統(tǒng)，車載氫系統(tǒng)與燃料電池汽車的氫安全密切相關(guān)[8]。氫安全是燃料電池汽車在安全方面所面臨的關(guān)鍵問題，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)燃料電池汽車本身提出了苛刻的要求，也對(duì)地下停車場和隧道等場地的安全設(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，即便是遇到明火，危害性也遠(yuǎn)小于汽油等傳統(tǒng)車載燃料;然而當(dāng)場地變成了地下停車場和隧道后，車輛上泄漏的氫氣會(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)停車場或隧道及其上層建筑，危害性極大。因此，當(dāng)燃料電池汽車初步普及后，不僅應(yīng)及時(shí)在有需求的地下停車場等場地安裝氫氣泄漏監(jiān)測設(shè)備，更要發(fā)展適合燃料電池汽車的敞開式立體車庫。

3 結(jié)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(tǒng)以外，車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)燃料電池汽車的商業(yè)化進(jìn)程有著舉足輕重的影響。在短期內(nèi)，國內(nèi)燃料電池汽車的大部分關(guān)鍵材料和組件還不得不依賴進(jìn)口。我們除了關(guān)注國內(nèi)燃料電池汽車產(chǎn)量和銷量的增長外，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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