基于氫燃料電池零部件分析

楊斌

華澗新能源科技（上海）有限公司 上海市 201703

氫燃料電池又被稱之為氫質(zhì)子交換膜燃料電池，其工作原理主要是通過氫質(zhì)子的交換實(shí)現(xiàn)電荷的移動(dòng)，形成電流。在該電池中，氫燃料會(huì)在其陽極部位發(fā)生氧化，反應(yīng)后生成的產(chǎn)物在移動(dòng)到陰極部分時(shí)，會(huì)與該處存在的氧化劑再次發(fā)生反應(yīng)。[1]在電池內(nèi)部需要發(fā)生反應(yīng)的部分，都會(huì)有催化劑存在，以保障氫電池內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)能夠滿足電力的供應(yīng)需求。氫電池的幾個(gè)核心零部件是保障其電池性能的重要零部件，同時(shí)，其生產(chǎn)技術(shù)直接關(guān)系到了電池的使用壽命、成本等。當(dāng)前，關(guān)于氫燃料電池的研究及其生產(chǎn)制造技術(shù)，國內(nèi)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外，許多關(guān)鍵的生產(chǎn)技術(shù)都掌握在國外生產(chǎn)企業(yè)的手中，我國的氫燃料電池生產(chǎn)還存在著很龐大的提升空間。

1 氫燃料電池核心零部件的生產(chǎn)、研究現(xiàn)狀

該電池的核心零部件有質(zhì)子交換膜、雙極板、催化劑、空壓機(jī)、儲(chǔ)氫罐。目前，世界各國關(guān)于氫燃料電池核心零部件的研究并未停止，大家都希望能夠研究出更適合汽車使用的清潔能源。

1.1 質(zhì)子交換膜

其主要作用是確保質(zhì)子可以順利通過，而阻止還未發(fā)生電解反應(yīng)的氫燃料、氧化劑、催化劑等通過。有了質(zhì)子交換膜的存在，就可以保障氫燃料電池內(nèi)部質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)方向，即確保了電流的流動(dòng)方向。該交換膜是氫燃料電池最基本、最核心的一個(gè)零部件，與普通電池中的隔膜存在一定區(qū)別。

關(guān)于燃料電池中質(zhì)子交換膜的研究，最早可以追溯到20 世紀(jì)60 年代，當(dāng)時(shí)，世界范圍內(nèi)最早研究出燃料電池中質(zhì)子交換膜的公司就是美國杜邦公司。從該公司起，后續(xù)不斷有同類型公司進(jìn)行相關(guān)研究，并且有部分公司也成功生產(chǎn)出了全氟磺酸結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜。但直到現(xiàn)在，全球主要的質(zhì)子交換膜依舊由杜邦公司所提供。

在氫燃料電池中的組件中，對于質(zhì)子交換膜這個(gè)零部件的要求非常高。當(dāng)前，世界范圍內(nèi)的質(zhì)子交換膜都屬于全氟化聚合物，這種材料制作出來的質(zhì)子交換膜可以滿足氫燃料電池的使用需求，但是，氫燃料電池的主要成本也由該零部件決定。目前國內(nèi)外都在積極研究減少該零部件制作成本的技術(shù)，但是進(jìn)展甚微。

我國的天津大學(xué)、大連化學(xué)物理研究所、武漢理工大學(xué)等大學(xué)院?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)已經(jīng)對該零部件的研究有了較長的時(shí)間，他們是國內(nèi)最領(lǐng)先的機(jī)構(gòu)，但是目前國內(nèi)的研究成果距離世界上其他發(fā)達(dá)國家的研究成果依舊存在一定的差距。在我國，該零部件的主要生產(chǎn)廠商是中科同力。

1.2 雙極板

該零部件又被稱之為集流板，不僅僅在氫燃料電池中得到使用，在其他燃料電池中都是十分重要的零部件。雙極板功能較多，可以將氫燃料電池中的燃料與氧化劑分開，同時(shí)還可以阻止氣體的通過，還具備傳導(dǎo)電流的功能。氫燃料電池在工作時(shí)會(huì)釋放熱量，而雙極板還具備導(dǎo)熱功能，可以保持電池內(nèi)部溫度的恒定。[2]雙極板的原材料價(jià)格較為便宜，目前的研究主要集中在控制其導(dǎo)電性、厚度等方面，主要目的是減輕氫燃料電池的整體重量，同時(shí)確保其導(dǎo)電性，避免因?yàn)殡p極板太厚而影響電池功能。

1.3 催化劑

催化劑的存在可以加速氫燃料電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，使得氫離子的生成速度加快，其轉(zhuǎn)移速度也會(huì)隨之增加，從而保障電池的電量供應(yīng)。電池的催化層是整個(gè)電池的核心，電池的電化學(xué)反應(yīng)也在該部分完成，電池內(nèi)部的電催化反應(yīng)發(fā)生時(shí)，其反應(yīng)速率不僅與催化劑的活性相關(guān)，還與其電解質(zhì)溶液、電場的特性有著極大關(guān)聯(lián)。

到目前為止，世界各國使用的氫燃料電池中，如果是質(zhì)子交換膜類型的，其催化劑均主要是鉑或者鉑碳顆粒。由于鉑是貴金屬，其原料的成本也較高，鉑催化劑的成本及質(zhì)子交換膜的成本，共同造成了當(dāng)前氫燃料電池制造成本居高不下的原因。

關(guān)于催化劑的研究，目前全世界主要將目光放在控制其添加量或者找到更為廉價(jià)的替代品方面。在我國，關(guān)于該電池催化劑的研究，僅僅只有中山大學(xué)、天津大學(xué)、大連化學(xué)物理研究所等有限的幾所研究機(jī)構(gòu)有一定建樹。

1.4 空壓機(jī)

該零部件可以看做是氫燃料電池的“肺”，其主要功能就是為電池提供反應(yīng)時(shí)所必須的氧氣，而空壓機(jī)往往是氫燃料電池制作過程中的瓶頸所在，許多氫燃料電池的技術(shù)就是受到空壓機(jī)技術(shù)的限。[3]當(dāng)前，在燃料電池中所使用的空壓機(jī)包括三種類型，分別為離心式、羅茨式及雙螺桿式。三種類型的空壓機(jī)都有著各自的特點(diǎn)，哪種空壓機(jī)更適合不同氫燃料電池的需求，需要通過大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試，最終確定一個(gè)最合適的空壓機(jī)類型。

離心式空壓機(jī)

離心式空壓機(jī)的做功方式是通過葉輪的旋轉(zhuǎn)，從而對其內(nèi)部的氣體做功。在葉輪與擴(kuò)壓器的流道內(nèi)部，通過其離心升壓及降速擴(kuò)壓的作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能。該類型空壓機(jī)有著較多優(yōu)點(diǎn)，如工作效率高、響應(yīng)速度快等。但是，其工作效率較為狹窄，如果其在低流量高壓比的環(huán)境下工作，很容易發(fā)生喘振現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)嚴(yán)重?fù)p害到該空壓機(jī)的整體使用壽命。

當(dāng)使用該類型空壓機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，通常有兩種方案，不同方案對于該空壓機(jī)內(nèi)部的某些零部件要求不同。其中，一種工作方案是增速器+滾珠軸承，這種方案下的空心機(jī)，在工作時(shí)其電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，并且該空心機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造較為復(fù)雜，在使用時(shí)，需要添加一定量的潤滑劑，由于潤滑劑的使用，可能會(huì)對周圍的環(huán)境造成污染，并且空壓機(jī)的使用壽命也可能因此而縮短；另一種方案是動(dòng)壓空氣懸浮軸承，這種方案的空壓機(jī)對于其軸承的精度、耐磨性存在著較高的要求，因?yàn)樵摲桨赶?，軸承的空氣間隙較小，在空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)，軸承會(huì)出現(xiàn)干摩擦的現(xiàn)象。

羅茨式空壓機(jī)

該類型的空壓機(jī)工作時(shí)，其轉(zhuǎn)子間的容腔不會(huì)發(fā)生變化，它是通過外壓縮的方式，將該機(jī)器內(nèi)部的空氣擠壓到外部的小容腔內(nèi)，該容腔由于空氣的進(jìn)入、擠壓，其內(nèi)部的空氣密度、壓力會(huì)不斷升高。該空壓機(jī)采用了轉(zhuǎn)子及泵殼間容積壓縮的方式，二者之間的間隙小于1mm，所以一旦空壓機(jī)發(fā)熱，其泵殼很容易因?yàn)榘l(fā)熱而膨脹，就會(huì)出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象?？がF(xiàn)象的出現(xiàn)，會(huì)使得機(jī)器的磨損加快，甚至直接因?yàn)榭ざ鴵p壞機(jī)器，所以該類型的空壓機(jī)對于泵殼的機(jī)械強(qiáng)度有著較高的要求。轉(zhuǎn)子的精度、耐磨性等要求并不高，其轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)成本較低。該空壓機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，在汽車上使用時(shí)，需要針對性地進(jìn)行消音設(shè)計(jì)。

雙螺桿式空壓機(jī)

該類型的空壓機(jī)以內(nèi)壓縮的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，在其螺桿之間會(huì)形成壓縮腔，從而使得兩個(gè)螺桿之間的容腔逐漸減小，其內(nèi)部的氣體壓力就會(huì)逐漸升高。該空壓機(jī)對于外部的空氣條件有著較高的要求，若空氣中的微小顆粒較多，則會(huì)對螺桿造成磨損，從而導(dǎo)致空壓機(jī)的密封性出現(xiàn)問題，影響其內(nèi)部壓力。[4]在技術(shù)方面，為了避免該問題，會(huì)將耐磨材料涂抹在在螺桿上。該空壓機(jī)在工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，所以也需要進(jìn)行針對性消音設(shè)計(jì)。

1.5 儲(chǔ)氫罐

在現(xiàn)階段，主要的儲(chǔ)氫方式就是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫，其充放氫的速度較快，并且其容器結(jié)構(gòu)十分簡單，因而被廣泛采用。在一般情況下，儲(chǔ)氫罐與儲(chǔ)氫瓶不做區(qū)分，在行業(yè)內(nèi)也將二者混合使用。按照制造材料的不同，儲(chǔ)氫罐可以分為三種類型。

一型罐

一型罐是金屬制作的儲(chǔ)氫罐，一般采用如鋼這樣的性能較好的金屬材料制作。雖然這種儲(chǔ)氫罐的制造材料簡單，成本較低，但是其耐壓性并不強(qiáng)。早期的金屬儲(chǔ)氫罐，僅僅可以承受12-15Mpa 壓力的氫氣，在該壓力下，氫氣的質(zhì)量密度要小于1.6%。適當(dāng)?shù)卦黾右恍﹥?chǔ)氫罐瓶壁的厚度，可以在一定限度內(nèi)有效地提升該儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫能力，但是這種方式會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)氫罐的容積降低。金屬儲(chǔ)氫罐一般通過高強(qiáng)度的無縫鋼管旋壓收口制作而成，如果在制作過程中提升了其材料的強(qiáng)度，那么很容易導(dǎo)致其內(nèi)部細(xì)小裂紋的出現(xiàn)，會(huì)提高其內(nèi)部儲(chǔ)存氫氣失效的可能。并且，對于儲(chǔ)氫罐內(nèi)部情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測時(shí)，往往會(huì)在其多層結(jié)構(gòu)之間安裝檢測工具，但是該類型儲(chǔ)氫罐的結(jié)構(gòu)是單層，無法安裝該工具，所以這類儲(chǔ)氫罐往往用于小容量、固定式的氫氣儲(chǔ)存，于車載氫燃料電池而言，該儲(chǔ)氫罐達(dá)不到要求。

二型罐

二型罐是金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞或全纏繞氣罐，這種儲(chǔ)氫罐是隨著人們對于儲(chǔ)氫需求增加而逐步發(fā)展起來的。在該儲(chǔ)氫罐的內(nèi)部，有不銹鋼或鋁合金制造而成的金屬內(nèi)膽，其主要作用就是密封儲(chǔ)存的氫氣。除金屬層之外，其主要承壓的部分為纖維材料制造，可以保障其儲(chǔ)氫壓力達(dá)到40Mpa。金屬內(nèi)膽由于不需要承擔(dān)氫氣帶來的內(nèi)部壓力，所以可以將該內(nèi)膽制成較薄的狀態(tài)，以減輕儲(chǔ)氫罐整體的重量。由于該儲(chǔ)氫罐內(nèi)部存在著多層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效避免其金屬層因?yàn)闅錃獾脑蚨艿礁g，而在不同材料的層級之間，還存在較大的密閉空間，可以通過該密閉空間實(shí)現(xiàn)對于儲(chǔ)氫罐內(nèi)部狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該儲(chǔ)氫罐材料成本并不昂貴，且儲(chǔ)氫效果也較好，所以往往也會(huì)在大容量儲(chǔ)氫時(shí)使用。

三型罐

該種類型的儲(chǔ)氫罐是非金屬類型的纖維全纏繞氣罐。這種類型的儲(chǔ)氫罐是為了使得罐體本身的重量進(jìn)一步降低，而利用一些剛度較好的塑料代替金屬。這類儲(chǔ)氫罐一共有三層結(jié)構(gòu)，分別為塑料內(nèi)膽、纖維增強(qiáng)層、保護(hù)層。塑料內(nèi)膽的氣密性、抗腐蝕等能力較金屬內(nèi)膽強(qiáng)，并且其耐高溫性能、韌性等也都較高。該儲(chǔ)氫罐的總重量僅為同儲(chǔ)量鋼罐的50%，在車載氫燃料電池中，該種類型的儲(chǔ)氫罐處于優(yōu)先級別，也是各生產(chǎn)廠商儲(chǔ)氫罐的主要競爭類型。為了使得該儲(chǔ)氫罐的重量或性能得到進(jìn)一步的優(yōu)化，人們也研究出了各種優(yōu)化方式，有些優(yōu)化方式可以有效減少其纖維材料用量的40%。

2 氫燃料電池核心零部件未來發(fā)展方向

目前，氫燃料電池的質(zhì)子交換膜制造技術(shù)依舊由國外壟斷，國內(nèi)相關(guān)的研究企業(yè)尚在致力于突破該技術(shù)限制，所以國內(nèi)質(zhì)子交換膜的未來發(fā)展方向就是研究其生產(chǎn)制造技術(shù)。如何減少該零部件的制造成本，也是各研究機(jī)構(gòu)最關(guān)心的問題。[5]無孔石墨雙極板的導(dǎo)電性良好，但是其材料的脆性較大，給大批量生產(chǎn)和長期使用帶來了一系列困難，而金屬雙極板也擁有著良好的導(dǎo)電性能，同時(shí)其材料強(qiáng)度、韌性等也都較高，但在某些特殊情況下，金屬雙極板容易受到腐蝕，目前關(guān)于雙極板的研究主要是復(fù)合材料雙極板方向，復(fù)合材料兼具了各類材料的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前研究的主流，未來關(guān)于雙極板的研究，一定會(huì)集中在材料方面。關(guān)于催化劑的研究，國內(nèi)則主要集中在降低鉑載量方面。關(guān)于空壓機(jī)的研究，由于離心式空壓機(jī)在密度、噪音、效率等方面的綜合效果優(yōu)于其他類型的空壓機(jī)，所以成為了當(dāng)前研究的主流。在儲(chǔ)氫罐的研究方面，豐田第三代MIRAI 氫燃料電池汽車搭載的70Mpa 儲(chǔ)氫罐是當(dāng)前全球最領(lǐng)先的儲(chǔ)氫罐，其儲(chǔ)氫罐的質(zhì)量效率達(dá)到了5.7%，全球最高，所以未來關(guān)于儲(chǔ)氫罐的研究一定會(huì)集中在其材料、結(jié)構(gòu)方面，若能找到更優(yōu)質(zhì)的內(nèi)膽材料，或能夠找到一種更優(yōu)的儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)，那么就有可能將當(dāng)前儲(chǔ)氫罐的質(zhì)量效率提高。

3 結(jié)束語

當(dāng)前，我國十分重視關(guān)于氫燃料電池的研究，在研究條件方面并不比國外某些發(fā)達(dá)國家差，造成我國與其他國家技術(shù)差距的主要原因是國外的技術(shù)封鎖及我國的研究起步較晚。整體來看，我國當(dāng)前的氫燃料電池技術(shù)與國外發(fā)達(dá)國家相比還存在著十分明顯的差距，相信隨著我們對于可持續(xù)發(fā)展的需求及重視，我國一定會(huì)將更多的研究目光集中在氫燃料電池核心零部件的研究領(lǐng)域。氫燃料電池是未來汽車能夠使用的理想能源，以后氫能也將會(huì)發(fā)展成為世界新能源領(lǐng)域的重要產(chǎn)業(yè)，所以氫燃料電池生產(chǎn)技術(shù)將會(huì)占據(jù)著十分重要的戰(zhàn)略地位，未來，氫燃料電池的使用壽命、使用條件等，也將會(huì)成為研究的熱門領(lǐng)域。