車用質(zhì)子交換膜燃料電池的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)研究

吳黃祈

摘 要：質(zhì)子交換膜燃料電池在當(dāng)前的新能源汽車領(lǐng)域中有很大的應(yīng)用潛力，在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)有望成為傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的理想替代品，因而受到了世界各國(guó)的高度關(guān)注，近年也得到了很大的發(fā)展。本文主要對(duì)車用質(zhì)子交換膜燃料電池的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并指出了當(dāng)前存在的一些問(wèn)題，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。希望本文的研究可以為相關(guān)領(lǐng)域提供新的視角。

關(guān)鍵詞：燃料電池;PEMFC;新能源汽車;發(fā)動(dòng)機(jī)

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的石化燃料儲(chǔ)量正在日益減少，能源短缺問(wèn)題開始深刻影響著人類的生存，各國(guó)不得不尋找新的可再生能源。燃料電池是伴隨著新能源汽車的需求而發(fā)展起來(lái)的一種新能源技術(shù)，它本質(zhì)上是將電化學(xué)反應(yīng)把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的設(shè)備，再將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能驅(qū)動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)，在燃料電池中，最典型的莫過(guò)于質(zhì)子交換膜燃料電池，由于其一系列優(yōu)點(diǎn)，這類能源近年有了很大的發(fā)展。

1 質(zhì)子交換膜燃料電池概述

質(zhì)子交換膜燃料電池簡(jiǎn)稱為PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell），它是當(dāng)前車用燃料電池的一種重要形式，該類電池以氫氣等為原料，以高分子膜充當(dāng)固態(tài)電解質(zhì)，余熱還可以進(jìn)一步利用，因而可以達(dá)到更高的能量轉(zhuǎn)換效率，并且可以較方便地實(shí)現(xiàn)低溫啟動(dòng)，也避免了傳統(tǒng)電池的電解質(zhì)泄露等難點(diǎn)。另外，PEMFC還具有作電流大、比功率高、工作溫度低、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧耐用等優(yōu)勢(shì)。因此，PEMFC已經(jīng)在部分輕型汽車得到了應(yīng)用。

實(shí)際上，在石化資源日益緊缺的今天，包括我國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)都在投入巨資研發(fā)燃料電池電動(dòng)汽車，因?yàn)樗谖磥?lái)的汽車行業(yè)中具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ型蔀橹髁骷夹g(shù)。實(shí)際上，從外形來(lái)看，以FEMFC為驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車和普通汽車是一樣的，唯一的區(qū)別在于其核心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及相關(guān)的輔助系統(tǒng)。例如，以汽油為燃料的普通汽車通常不具備氧化劑循環(huán)、燃料循環(huán)、溫濕度調(diào)節(jié)、壓力控制等系統(tǒng)環(huán)節(jié)，但在FEMFC汽車中，這些都是必備的組成部分。

2 基礎(chǔ)理論研究現(xiàn)狀

車用質(zhì)子交換膜燃料電池是一種新技術(shù)，在許多方面還存在短板，其研究必須從基礎(chǔ)理論發(fā)出，為其應(yīng)用和改進(jìn)提供理論支撐。為此，許多學(xué)者對(duì)PEMFC涉及的相關(guān)理論進(jìn)行了大量的研究，取得了不錯(cuò)的成果。王誠(chéng)等人對(duì)車用PEMFC材料部件進(jìn)行了研究，總結(jié)了在質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層、雙板等關(guān)鍵材料的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了展望;陳會(huì)翠等人對(duì)PEMFC電池的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，通過(guò)數(shù)字模型描述產(chǎn)品壽命，為其商業(yè)化提供了參考;陳沛等人對(duì)PEMFC的低溫啟動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，試驗(yàn)溫度為-10℃并取得了成功;同濟(jì)大學(xué)對(duì)大功率PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)的性能測(cè)試進(jìn)行研究，提出了一些較為準(zhǔn)確的測(cè)試方案。

3 關(guān)鍵技術(shù)的最新突破

FEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)可以說(shuō)是這類汽車的心臟，經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，各國(guó)汽車生產(chǎn)巨頭都取得了不少成果：FEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)能量效率已經(jīng)可以在1/4額定功率下達(dá)到60%以上，功率密度有了顯著的提高，例如豐田公司的產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了3kW/L以上的功率密度，英國(guó)最好的產(chǎn)品更是達(dá)到了5 kW /L以上;東風(fēng)日產(chǎn)最好的產(chǎn)品比功率已超過(guò)2kW/kg，豐田和本田則在低溫啟動(dòng)方面得到了突破，進(jìn)一步將啟動(dòng)溫度降低至-30℃左右。

4 質(zhì)子交換膜技術(shù)現(xiàn)狀

在PEMFC電池中，質(zhì)子交換膜是最為關(guān)鍵的組成部分，其性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎起到了主導(dǎo)性作用，因而長(zhǎng)期以來(lái)成為PEMFC技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。質(zhì)子交換膜的功能主要是用于對(duì)陽(yáng)極和陰極進(jìn)行隔離，避免燃料與空氣在不受控狀態(tài)下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng);也可以用于傳導(dǎo)質(zhì)子，而質(zhì)子的傳導(dǎo)效率則在很大程度上決定著燃料電池的綜合效率;此外，質(zhì)子交換膜不能充當(dāng)電子絕緣體，使得電子不能在膜內(nèi)隨意傳導(dǎo)。

一般來(lái)說(shuō)，質(zhì)子交換膜必須滿足以下條件：質(zhì)子傳導(dǎo)率高、燃料滲透性低、電滲系數(shù)小、電化學(xué)性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、成本可控。為了實(shí)現(xiàn)這一系列苛刻的要求，并非所有的材料都可以用于PEMFC，從當(dāng)前的研究來(lái)看，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可行的材料主要包括：磺化聚合物膜、復(fù)合膜和無(wú)機(jī)酸摻雜膜等等。其中磺化聚合物電解質(zhì)受到了最多的關(guān)注，繼續(xù)細(xì)分又可以分成全氟磺酸質(zhì)子交換膜、部分氟化質(zhì)子交換膜和非氟質(zhì)子交換膜等類型。在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改性，近年又出現(xiàn)了芳香型非氟質(zhì)子交換膜材料、復(fù)合共混質(zhì)子交換膜材料、嵌段共聚質(zhì)子交換膜等許多新型的材料。

5 當(dāng)前存在的問(wèn)題

綜合以上分析可以看出，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，并且還在持續(xù)的優(yōu)化改進(jìn)中，然而作為一種尚未實(shí)現(xiàn)完全實(shí)用化的新技術(shù)，PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)仍然存在著許多急需解決的問(wèn)題，大量的技術(shù)短板等待著工程師和科研人員攻克。例如：

（1）當(dāng)前的燃料電池堆在低溫運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下還無(wú)法做到高效散熱，尤其是在高溫天氣時(shí)，該問(wèn)題更是影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能，這需要在熱水管理方面不斷改進(jìn);（2）由于PEMFC的發(fā)電需要事先濕化薄膜和陽(yáng)極以及陰極氣體，這是質(zhì)子實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移的前提條件，然而如果停車溫度比水的冰點(diǎn)還低時(shí)會(huì)引發(fā)冷啟動(dòng)問(wèn)題，這一問(wèn)題仍未得到很好地解決;（3）與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)一樣，PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)也需要良好的控制系統(tǒng)，在新能源汽車行業(yè)中，對(duì)控制系統(tǒng)的成本和可靠性要求更高，但是水、熱、氣等都是非常難以控制的，這需要控制系統(tǒng)也做出相應(yīng)的改進(jìn)或變革;（4）輔助系統(tǒng)的效率和成本也是PEMFC系統(tǒng)的重要制約因素，因?yàn)樗绊懼到y(tǒng)的整體集成度和比功率。

6 展望

從前文的分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前PEMFC技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展的時(shí)期，盡管還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完成實(shí)用化和商業(yè)化，但其應(yīng)用前景是毋庸置疑的。各國(guó)在PEMFC方面投入的資金和研發(fā)力度也在逐年上升，這也將不斷推動(dòng)PEMFC技術(shù)的優(yōu)化和改進(jìn)。不難預(yù)測(cè)，在未來(lái)的十幾年內(nèi)，關(guān)于PEMFC的研究將集中在水熱管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、耐久性、冷啟動(dòng)、新材料等方面，并不斷提高產(chǎn)品的性價(jià)比、降低電堆價(jià)格，并有望在十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)推廣和普及應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]康啟平，張國(guó)強(qiáng)，劉艷秋.質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極研究進(jìn)展[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，41（02）：97-102+123.

[2]趙鄧玉，鄒文文，趙康寧，葉代新，趙宏濱，張久俊.氫能質(zhì)子交換膜燃料電池核心技術(shù)和應(yīng)用前景[J].自然雜志，2020，42（01）：44-50.