車用質子交換膜燃料電池的技術現狀與發展趨勢研究

吳黃祈

摘 要：質子交換膜燃料電池在當前的新能源汽車領域中有很大的應用潛力，在未來一段時期內有望成為傳統汽車發動機的理想替代品，因而受到了世界各國的高度關注，近年也得到了很大的發展。本文主要對車用質子交換膜燃料電池的技術現狀進行了分析，并指出了當前存在的一些問題，對其發展趨勢進行了展望。希望本文的研究可以為相關領域提供新的視角。

關鍵詞：燃料電池;PEMFC;新能源汽車;發動機

隨著人類社會的發展，傳統的石化燃料儲量正在日益減少，能源短缺問題開始深刻影響著人類的生存，各國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展起來的一種新能源技術，它本質上是將電化學反應把化學能轉化成電能的設備，再將電能轉化為動能驅動汽車運動，在燃料電池中，最典型的莫過于質子交換膜燃料電池，由于其一系列優點，這類能源近年有了很大的發展。

1 質子交換膜燃料電池概述

質子交換膜燃料電池簡稱為PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell），它是當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，以高分子膜充當固態電解質，余熱還可以進一步利用，因而可以達到更高的能量轉換效率，并且可以較方便地實現低溫啟動，也避免了傳統電池的電解質泄露等難點。另外，PEMFC還具有作電流大、比功率高、工作溫度低、結構緊湊、輕巧耐用等優勢。因此，PEMFC已經在部分輕型汽車得到了應用。

實際上，在石化資源日益緊缺的今天，包括我國在內的世界各國都在投入巨資研發燃料電池電動汽車，因為它在未來的汽車行業中具有巨大的發展潛力，有望成為主流技術。實際上，從外形來看，以FEMFC為驅動的電動汽車和普通汽車是一樣的，唯一的區別在于其核心驅動系統及相關的輔助系統。例如，以汽油為燃料的普通汽車通常不具備氧化劑循環、燃料循環、溫濕度調節、壓力控制等系統環節，但在FEMFC汽車中，這些都是必備的組成部分。

2 基礎理論研究現狀

車用質子交換膜燃料電池是一種新技術，在許多方面還存在短板，其研究必須從基礎理論發出，為其應用和改進提供理論支撐。為此，許多學者對PEMFC涉及的相關理論進行了大量的研究，取得了不錯的成果。王誠等人對車用PEMFC材料部件進行了研究，總結了在質子交換膜、催化層、氣體擴散層、雙板等關鍵材料的發展現狀，并對其發展進行了展望;陳會翠等人對PEMFC電池的經濟性進行了分析，通過數字模型描述產品壽命，為其商業化提供了參考;陳沛等人對PEMFC的低溫啟動進行了實驗研究，試驗溫度為-10℃并取得了成功;同濟大學對大功率PEMFC發動機的性能測試進行研究，提出了一些較為準確的測試方案。

3 關鍵技術的最新突破

FEMFC發動機可以說是這類汽車的心臟，經過近20年的發展，各國汽車生產巨頭都取得了不少成果：FEMFC發動機能量效率已經可以在1/4額定功率下達到60%以上，功率密度有了顯著的提高，例如豐田公司的產品已經實現了3kW/L以上的功率密度，英國最好的產品更是達到了5 kW /L以上;東風日產最好的產品比功率已超過2kW/kg，豐田和本田則在低溫啟動方面得到了突破，進一步將啟動溫度降低至-30℃左右。

4 質子交換膜技術現狀

在PEMFC電池中，質子交換膜是最為關鍵的組成部分，其性能對發動機幾乎起到了主導性作用，因而長期以來成為PEMFC技術發展的瓶頸之一。質子交換膜的功能主要是用于對陽極和陰極進行隔離，避免燃料與空氣在不受控狀態下產生化學反應;也可以用于傳導質子，而質子的傳導效率則在很大程度上決定著燃料電池的綜合效率;此外，質子交換膜不能充當電子絕緣體，使得電子不能在膜內隨意傳導。

一般來說，質子交換膜必須滿足以下條件：質子傳導率高、燃料滲透性低、電滲系數小、電化學性能穩定、機械強度高、成本可控。為了實現這一系列苛刻的要求，并非所有的材料都可以用于PEMFC，從當前的研究來看，經實驗驗證可行的材料主要包括：磺化聚合物膜、復合膜和無機酸摻雜膜等等。其中磺化聚合物電解質受到了最多的關注，繼續細分又可以分成全氟磺酸質子交換膜、部分氟化質子交換膜和非氟質子交換膜等類型。在這些技術的基礎上進行改性，近年又出現了芳香型非氟質子交換膜材料、復合共混質子交換膜材料、嵌段共聚質子交換膜等許多新型的材料。

5 當前存在的問題

綜合以上分析可以看出，經過20多年的發展，PEMFC發動機技術已經有了很大的發展，并且還在持續的優化改進中，然而作為一種尚未實現完全實用化的新技術，PEMFC發動機仍然存在著許多急需解決的問題，大量的技術短板等待著工程師和科研人員攻克。例如：

（1）當前的燃料電池堆在低溫運轉的條件下還無法做到高效散熱，尤其是在高溫天氣時，該問題更是影響著發動機的整體性能，這需要在熱水管理方面不斷改進;（2）由于PEMFC的發電需要事先濕化薄膜和陽極以及陰極氣體，這是質子實現轉移的前提條件，然而如果停車溫度比水的冰點還低時會引發冷啟動問題，這一問題仍未得到很好地解決;（3）與傳統的內燃機一樣，PEMFC發動機也需要良好的控制系統，在新能源汽車行業中，對控制系統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，這需要控制系統也做出相應的改進或變革;（4）輔助系統的效率和成本也是PEMFC系統的重要制約因素，因為它影響著系統的整體集成度和比功率。

6 展望

從前文的分析可以發現，當前PEMFC技術正處于蓬勃發展的時期，盡管還沒有實現完成實用化和商業化，但其應用前景是毋庸置疑的。各國在PEMFC方面投入的資金和研發力度也在逐年上升，這也將不斷推動PEMFC技術的優化和改進。不難預測，在未來的十幾年內，關于PEMFC的研究將集中在水熱管理系統、控制系統、耐久性、冷啟動、新材料等方面，并不斷提高產品的性價比、降低電堆價格，并有望在十年內實現推廣和普及應用。

參考文獻：

[1]康啟平，張國強，劉艷秋.質子交換膜燃料電池膜電極研究進展[J].中北大學學報（自然科學版），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.氫能質子交換膜燃料電池核心技術和應用前景[J].自然雜志，2020，42（01）：44-50.