氫燃料電池關(guān)鍵零部件現(xiàn)狀研究

傅家豪, 鄒佩佩,余忠偉,高新梅

(西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川成都 610039)

0 引言

受限于全球能源短缺和氣候變暖的嚴(yán)峻形勢，針對(duì)新能源汽車的技術(shù)要求越來越高，我國已經(jīng)制定了布局于整車電氣化領(lǐng)域發(fā)展新能源汽車的國家長期戰(zhàn)略方針。氫燃料電池汽車、純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車成為我國新能源汽車三大路線。純電動(dòng)汽車存在續(xù)航里程較短、充電時(shí)間長的劣勢；插電式混合動(dòng)力汽車仍需傳統(tǒng)能源，只能在一定程度上改善能源短缺與氣候變暖的問題。氫燃料電池汽車具備能量轉(zhuǎn)換效率高、無污染、能快速補(bǔ)充燃料等優(yōu)點(diǎn)受到市場的關(guān)注和需求越來越高。CHANG等[1-3]分析了氫燃料電池應(yīng)用于汽車的前景與技術(shù)，認(rèn)為未來氫燃料汽車將會(huì)得到有效使用。邵志剛等[4-7]針對(duì)氫燃料汽車當(dāng)前應(yīng)用狀況做了詳細(xì)敘述，其技術(shù)發(fā)展將朝著高效、安全、低成本的方向發(fā)展。王冰等人[8-11]介紹了氫燃料多種生產(chǎn)方式的優(yōu)劣對(duì)比、氫燃料電池汽車的不同供氫方式的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合對(duì)比出儲(chǔ)氫瓶供氫成本低、安全性高，可以廣泛應(yīng)用。劉義鶴等[12-14]對(duì)比了目前不同材料的質(zhì)子交換膜，認(rèn)為進(jìn)一步提高質(zhì)子交換膜的使用耐久性、壽命和工作性能仍然是質(zhì)子交換膜燃料電池產(chǎn)業(yè)化面臨的主要任務(wù)。WANG等[15-19]對(duì)氫燃料電池的工作原理做了介紹，并逐一分析燃料電池關(guān)鍵零部件的現(xiàn)狀，闡明了質(zhì)子交換膜燃料電池的基本原理對(duì)技術(shù)進(jìn)步、障礙突破和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。南皓雄等[20]還介紹了當(dāng)前國內(nèi)燃料電池催化劑的制備現(xiàn)狀 。氫燃料電池系統(tǒng)作為氫燃料電池汽車關(guān)鍵部分，針對(duì)氫燃料電池關(guān)鍵零部件技術(shù)及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀的研究，對(duì)我國更進(jìn)一步發(fā)展氫燃料電池汽車及相關(guān)產(chǎn)業(yè)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 氫燃料電池關(guān)鍵零部件現(xiàn)狀

氫燃料電池是把氫氣的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。單體電池由正負(fù)兩個(gè)電極(氫燃料電極、氧化劑電極)以及電解質(zhì)組成。電解質(zhì)隔膜兩側(cè)分別發(fā)生氫氧化反應(yīng)與氧化還原反應(yīng)，電子通過外電路做功，產(chǎn)生電能。只要有氫燃料和氧化劑(純氧或空氣)不斷輸入，燃料電池就能源源不斷地產(chǎn)生電能。這樣的工作特性決定了氫燃料電池兼具普通化學(xué)電池和內(nèi)燃機(jī)的特點(diǎn)，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、無環(huán)境污染物排放等特優(yōu)點(diǎn)。

氫燃料電池系統(tǒng)作為一個(gè)多耦合性的復(fù)雜系統(tǒng)，由質(zhì)子交換膜、雙極板、催化劑、空壓機(jī)、儲(chǔ)氫罐、碳紙等大量的關(guān)鍵零部件構(gòu)成。不同材質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)的零部件具有差異較大的工作特性，它們對(duì)氫燃料電池的輸出特性、工作壽命有著決定性的影響。因此合理地選用關(guān)鍵零部件不僅可以提高氫燃料電池的性能，還可以在一定程度上降低高昂的成本。

1.1 質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜主要用來傳遞質(zhì)子(氫離子)及隔離燃料、氧化劑，因此質(zhì)子交換膜需要具備良好的質(zhì)子傳導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性，所以理想的膜材料是那些表現(xiàn)出高離子電導(dǎo)率，同時(shí)防止電子傳輸與氫氣和氧氣的交叉的膜材料。國內(nèi)外所使用質(zhì)子交換膜類型包含全氟磺酸型PEM、部分氟化磺酸型PEM、新型非氟聚合物PEM等類型，幾種類型的性能見表1，全氟磺酸型PEM具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性，目前應(yīng)用最廣泛。如豐田 Mirai、本田Clarity、現(xiàn)代 NEXO 和國內(nèi)新源均采用戈?duì)枡C(jī)械增強(qiáng)復(fù)合膜，主要成分為 ePTFE(增強(qiáng)膨脹聚四氟乙烯)+新型氟化離子聚合物。目前氫燃料電池質(zhì)子交換膜基本由國外壟斷和控制，國內(nèi)企業(yè)或研究單位尚處于研究攻關(guān)階段，未達(dá)到量產(chǎn)能力。

表1 質(zhì)子交換膜

1.2 雙極板

雙極板是氫燃料電池體積和質(zhì)量密度的決定因素，也是影響制造成本的重要因素。當(dāng)前處于市面上的主要有無孔石墨雙極板、金屬雙極板、復(fù)合材料雙極板等幾種類型見表2。石墨雙極板導(dǎo)電性好，但脆性大難以大批量生產(chǎn)和長期使用，金屬雙極板強(qiáng)度高、韌性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，但在PEMFC工作環(huán)境下易被腐蝕，復(fù)合材料雙極板結(jié)合了石墨板和金屬板的優(yōu)點(diǎn)，具有耐腐蝕、體積小、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為發(fā)展的主流技術(shù)。國外豐田 Mirai、本田Clarity使用鈦金屬雙極板，通過采用優(yōu)化流體通道、提高氣體擴(kuò)散性等措施提高功率密度，目前已達(dá)到3.1 kW/L。國內(nèi)北京氫璞、上海神力等公司已經(jīng)開發(fā)出金屬板氫燃料電池，功率密度超過 2 kW/L。

表2 雙極板

1.3 催化劑

催化劑是加快氫燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，它能通過降低活化能、提高反應(yīng)速率。國內(nèi)外常利用過渡金屬元素與鉑合金物兩兩組合來增強(qiáng)催化劑穩(wěn)定性、耐腐性，如 Pt-Co/C、Pt-Ni/C。氫燃料電池最常見的催化劑是鉑合金、納米結(jié)構(gòu)薄膜合金、石墨化催化劑等見表3。由于受到催化劑基礎(chǔ)材料技術(shù)、制備工藝等限制，日本先進(jìn)水平質(zhì)子交換膜氫燃料電池的鉑載量僅為國內(nèi)的1/3～1/4，國內(nèi)氫燃料電池電堆鉑載量約1 g/kW，而豐田Mirai所搭載的氫燃料電池僅為0.30 g/kW。這促使了國產(chǎn)電堆成本較高，因此國內(nèi)針對(duì)氫燃料電池催化劑的研究重點(diǎn)放在了如何降低鉑載量。

表3 催化劑

1.4 空壓機(jī)

空壓機(jī)對(duì)空氣供應(yīng)起到?jīng)Q定性作用，能夠結(jié)合電堆輸出功率產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用為氫燃料電池提供相應(yīng)流量及壓力的空氣。國外對(duì)氫燃料電池專用空壓機(jī)的開發(fā)及使用比國內(nèi)成熟。氫燃料電池系統(tǒng)所應(yīng)用的空壓機(jī)結(jié)構(gòu)較多，有渦輪式空壓機(jī)、離心式壓縮機(jī)、螺桿式空壓機(jī)等類型見表4。具體的應(yīng)用有DOE公司與Author.Little合作設(shè)計(jì)應(yīng)用于50 kW的渦輪式空壓機(jī)、戴姆勒公司應(yīng)用于梅賽德斯奔馳A級(jí)氫燃料電池的螺桿式空壓機(jī)、同濟(jì)大學(xué)研究的應(yīng)用于65 kW氫燃料電池系統(tǒng)的離心式壓縮機(jī)。螺桿式空壓機(jī)質(zhì)量與噪聲較大；渦輪式空壓機(jī)效率、密度不及于離心式，綜上所述離心式空壓機(jī)在密度、效率、噪聲等方面具有最好的綜合效果，是今后最主流的發(fā)展方向。

表4 空壓機(jī)

1.5 儲(chǔ)氫罐

目前對(duì)于純氫的儲(chǔ)存方法主要有高壓氫氣儲(chǔ)存、液態(tài)氫氣儲(chǔ)存、活性炭吸附氫氣、金屬儲(chǔ)氫和碳納米材料儲(chǔ)氫等。對(duì)于車輛儲(chǔ)氫則主要應(yīng)用高壓氫氣儲(chǔ)存方法，因此安全而又儲(chǔ)氫量大的儲(chǔ)氫罐就顯得尤為重要。車載氫氣瓶的主要類型有金屬型氣瓶、金屬內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶、金屬內(nèi)膽全纏繞氣瓶、塑料內(nèi)膽全纏繞氣瓶等。金屬型氣瓶由于本身物理特性儲(chǔ)氫壓力較低、質(zhì)量較大，國內(nèi)初期應(yīng)用其存儲(chǔ)35 MPa的高壓氫氣。為了改善其缺點(diǎn)，金屬內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶、金屬內(nèi)膽全纏繞氣瓶、塑料內(nèi)膽全纏繞氣瓶等類型逐漸產(chǎn)生，儲(chǔ)氫壓力提升到70 MPa。

例如豐田第三代MIRAI氫燃料電池汽車搭載的70 MPa的儲(chǔ)氫罐，采用三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層是密封氫氣的樹脂襯里；中層是確保耐壓強(qiáng)度的碳纖維強(qiáng)化樹脂層；表層是保護(hù)表面的玻璃纖維強(qiáng)化樹脂層。采用了特殊的纏繞工藝、方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)氫罐的強(qiáng)化與輕量化，如對(duì)含浸了樹脂的碳纖施加張力使之卷起層疊的纖維纏繞工藝；環(huán)向纏繞、高角度螺旋纏繞和低角度螺旋纏繞方法分別強(qiáng)化了儲(chǔ)氫罐筒部、邊緣、底部，使得質(zhì)量效率比原來提高了20%，達(dá)到了全球最高水平的5.7%。

2 結(jié)論

(1)由于全球?qū)τ跉淙剂想姵仄嚽熬暗目春茫?dāng)前氫燃料電池關(guān)鍵零部件在全球得到了大力有效的研發(fā)，已經(jīng)形成了一定的成果并應(yīng)用到了氫燃料電池實(shí)車上，但這些關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)研發(fā)技術(shù)基本由國外壟斷和控制，國內(nèi)企業(yè)或研究單位只有少部分關(guān)鍵零部件達(dá)到量產(chǎn)水平，多數(shù)尚處于研發(fā)攻關(guān)階段。我國還需要在質(zhì)子交換膜、催化劑、儲(chǔ)氫罐等關(guān)鍵零部件實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的突破，以此來使得國產(chǎn)氫燃料電池能解決低溫啟動(dòng)難題，電堆比功率、耐久性得到更進(jìn)一步提升。

(2)同時(shí)在全球范圍內(nèi)，針對(duì)氫燃料電池降低生產(chǎn)成本的研究將不斷進(jìn)行。未來的氫燃料電池將在電池壽命和密度、冷啟動(dòng)性能、燃料存儲(chǔ)設(shè)備和薄膜材料、應(yīng)用范圍將得到更進(jìn)一步的提高。