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子交換膜燃料電池，其工作原理主要是通過氫質子的交換實現電荷的移動，形成電流。在該電池中，氫燃料會在其陽極部位發生氧化，反應后生成的產物在移動到陰極部分時，會與該處存在的氧化劑再次發生反應。[1]在電池內部需要發生反應的部分，都會有催化劑存在，以保障氫電池內部發生的化學反應能夠滿足電力的供應需求。氫電池的幾個核心零部件是保障其電池性能的重要零部件，同時，其生產技術直接關系到了電池的使用壽命、成本等。當前，關于氫燃料電池的研究及其生產制造技術，國內還遠遠落后于國外，許多關鍵的生產技術都掌握在國外生產企業的手中，我國的氫燃料電池生產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、研究現狀

該電池的核心零部件有質子交換膜、雙極板、催化劑、空壓機、儲氫罐。目前，世界各國關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 質子交換膜

其主要作用是確保質子可以順利通過，而阻止還未發生電解反應的氫燃料、氧化劑、催化劑等通過。有了質子交換膜的存在，就可以保障氫燃料電池內部質子的運動方向，即確保了電流的流動方向。該交換膜是氫燃料電池最基本、最核心的一個零部件，與普通電池中的隔膜存在一定區別。

關于燃料電池中質子交換膜的研究，最早可以追溯到20 世紀60 年代，當時，世界范圍內最早研究出燃料電池中質子交換膜的公司就是美國杜邦公司。從該公司起，后續不斷有同類型公司進行相關研究，并且有部分公司也成功生產出了全氟磺酸結構的質子交換膜。但直到現在，全球主要的質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，對于質子交換膜這個零部件的要求非常高。當前，世界范圍內的質子交換膜都屬于全氟化聚合物，這種材料制作出來的質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。目前國內外都在積極研究減少該零部件制作成本的技術，但是進展甚微。

我國的天津大學、大連化學物理研究所、武漢理工大學等大學院校或研究機構已經對該零部件的研究有了較長的時間，他們是國內最領先的機構，但是目前國內的研究成果距離世界上其他發達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，同時還可以阻止氣體的通過，還具備傳導電流的功能。氫燃料電池在工作時會釋放熱量，而雙極板還具備導熱功能，可以保持電池內部溫度的恒定。[2]雙極板的原材料價格較為便宜，目前的研究主要集中在控制其導電性、厚度等方面，主要目的是減輕氫燃料電池的整體重量，同時確保其導電性，避免因為雙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部的化學反應，使得氫離子的生成速度加快，其轉移速度也會隨之增加，從而保障電池的電量供應。電池的催化層是整個電池的核心，電池的電化學反應也在該部分完成，電池內部的電催化反應發生時，其反應速率不僅與催化劑的活性相關，還與其電解質溶液、電場的特性有著極大關聯。

到目前為止，世界各國使用的氫燃料電池中，如果是質子交換膜類型的，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子交換膜的成本，共同造成了當前氫燃料電池制造成本居高不下的原因。

關于催化劑的研究，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的替代品方面。在我國，關于該電池催化劑的研究，僅僅只有中山大學、天津大學、大連化學物理研究所等有限的幾所研究機構有一定建樹。

1.4 空壓機

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時所必須的氧氣，而空壓機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就是受到空壓機技術的限。[3]當前，在燃料電池中所使用的空壓機包括三種類型，分別為離心式、羅茨式及雙螺桿式。三種類型的空壓機都有著各自的特點，哪種空壓機更適合不同氫燃料電池的需求，需要通過大量的實驗進行測試，最終確定一個最合適的空壓機類型。

離心式空壓機

離心式空壓機的做功方式是通過葉輪的旋轉，從而對其內部的氣體做功。在葉輪與擴壓器的流道內部，通過其離心升壓及降速擴壓的作用，將機械能轉化為氣體的內能。該類型空壓機有著較多優點，如工作效率高、響應速度快等。但是，其工作效率較為狹窄，如果其在低流量高壓比的環境下工作，很容易發生喘振現象，這種現象的發生會嚴重損害到該空壓機的整體使用壽命。

當使用該類型空壓機進行工作時，通常有兩種方案，不同方案對于該空壓機內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，在工作時其電機的轉速較低，并且該空心機的內部構造較為復雜，在使用時，需要添加一定量的潤滑劑，由于潤滑劑的使用，可能會對周圍的環境造成污染，并且空壓機的使用壽命也可能因此而縮短；另一種方案是動壓空氣懸浮軸承，這種方案的空壓機對于其軸承的精度、耐磨性存在著較高的要求，因為該方案下，軸承的空氣間隙較小，在空壓機啟動時，軸承會出現干摩擦的現象。

羅茨式空壓機

該類型的空壓機工作時，其轉子間的容腔不會發生變化，它是通過外壓縮的方式，將該機器內部的空氣擠壓到外部的小容腔內，該容腔由于空氣的進入、擠壓，其內部的空氣密度、壓力會不斷升高。該空壓機采用了轉子及泵殼間容積壓縮的方式，二者之間的間隙小于1mm，所以一旦空壓機發熱，其泵殼很容易因為發熱而膨脹，就會出現卡殼現象。卡殼現象的出現，會使得機器的磨損加快，甚至直接因為卡殼而損壞機器，所以該類型的空壓機對于泵殼的機械強度有著較高的要求。轉子的精度、耐磨性等要求并不高，其轉子的生產成本較低。該空壓機工作時會產生較大的噪音，在汽車上使用時，需要針對性地進行消音設計。

雙螺桿式空壓機

該類型的空壓機以內壓縮的方式運轉，在其螺桿之間會形成壓縮腔，從而使得兩個螺桿之間的容腔逐漸減小，其內部的氣體壓力就會逐漸升高。該空壓機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，則會對螺桿造成磨損，從而導致空壓機的密封性出現問題，影響其內部壓力。[4]在技術方面，為了避免該問題，會將耐磨材料涂抹在在螺桿上。該空壓機在工作時也會產生較大的噪音，所以也需要進行針對性消音設計。

1.5 儲氫罐

在現階段，主要的儲氫方式就是高壓氣態儲氫，其充放氫的速度較快，并且其容器結構十分簡單，因而被廣泛采用。在一般情況下，儲氫罐與儲氫瓶不做區分，在行業內也將二者混合使用。按照制造材料的不同，儲氫罐可以分為三種類型。

一型罐

一型罐是金屬制作的儲氫罐，一般采用如鋼這樣的性能較好的金屬材料制作。雖然這種儲氫罐的制造材料簡單，成本較低，但是其耐壓性并不強。早期的金屬儲氫罐，僅僅可以承受12-15Mpa 壓力的氫氣，在該壓力下，氫氣的質量密度要小于1.6%。適當地增加一些儲氫罐瓶壁的厚度，可以在一定限度內有效地提升該儲氫罐的儲氫能力，但是這種方式會導致儲氫罐的容積降低。金屬儲氫罐一般通過高強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度，那么很容易導致其內部細小裂紋的出現，會提高其內部儲存氫氣失效的可能。并且，對于儲氫罐內部情況進行實時監測時，往往會在其多層結構之間安裝檢測工具，但是該類型儲氫罐的結構是單層，無法安裝該工具，所以這類儲氫罐往往用于小容量、固定式的氫氣儲存，于車載氫燃料電池而言，該儲氫罐達不到要求。

二型罐

二型罐是金屬內膽纖維環向纏繞或全纏繞氣罐，這種儲氫罐是隨著人們對于儲氫需求增加而逐步發展起來的。在該儲氫罐的內部，有不銹鋼或鋁合金制造而成的金屬內膽，其主要作用就是密封儲存的氫氣。除金屬層之外，其主要承壓的部分為纖維材料制造，可以保障其儲氫壓力達到40Mpa。金屬內膽由于不需要承擔氫氣帶來的內部壓力，所以可以將該內膽制成較薄的狀態，以減輕儲氫罐整體的重量。由于該儲氫罐內部存在著多層的結構設計，可以有效避免其金屬層因為氫氣的原因而受到腐蝕，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現對于儲氫罐內部狀態的實時監控。該儲氫罐材料成本并不昂貴，且儲氫效果也較好，所以往往也會在大容量儲氫時使用。

三型罐

該種類型的儲氫罐是非金屬類型的纖維全纏繞氣罐。這種類型的儲氫罐是為了使得罐體本身的重量進一步降低，而利用一些剛度較好的塑料代替金屬。這類儲氫罐一共有三層結構，分別為塑料內膽、纖維增強層、保護層。塑料內膽的氣密性、抗腐蝕等能力較金屬內膽強，并且其耐高溫性能、韌性等也都較高。該儲氫罐的總重量僅為同儲量鋼罐的50%，在車載氫燃料電池中，該種類型的儲氫罐處于優先級別，也是各生產廠商儲氫罐的主要競爭類型。為了使得該儲氫罐的重量或性能得到進一步的優化，人們也研究出了各種優化方式，有些優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展方向

目前，氫燃料電池的質子交換膜制造技術依舊由國外壟斷，國內相關的研究企業尚在致力于突破該技術限制，所以國內質子交換膜的未來發展方向就是研究其生產制造技術。如何減少該零部件的制造成本，也是各研究機構最關心的問題。[5]無孔石墨雙極板的導電性良好，但是其材料的脆性較大，給大批量生產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電性能，同時其材料強度、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，目前關于雙極板的研究主要是復合材料雙極板方向，復合材料兼具了各類材料的優點，是當前研究的主流，未來關于雙極板的研究，一定會集中在材料方面。關于催化劑的研究，國內則主要集中在降低鉑載量方面。關于空壓機的研究，由于離心式空壓機在密度、噪音、效率等方面的綜合效果優于其他類型的空壓機，所以成為了當前研究的主流。在儲氫罐的研究方面，豐田第三代MIRAI 氫燃料電池汽車搭載的70Mpa 儲氫罐是當前全球最領先的儲氫罐，其儲氫罐的質量效率達到了5.7%，全球最高，所以未來關于儲氫罐的研究一定會集中在其材料、結構方面，若能找到更優質的內膽材料，或能夠找到一種更優的儲罐結構，那么就有可能將當前儲氫罐的質量效率提高。

3 結束語

當前，我國十分重視關于氫燃料電池的研究，在研究條件方面并不比國外某些發達國家差，造成我國與其他國家技術差距的主要原因是國外的技術封鎖及我國的研究起步較晚。整體來看，我國當前的氫燃料電池技術與國外發達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發展的需求及重視，我國一定會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，以后氫能也將會發展成為世界新能源領域的重要產業，所以氫燃料電池生產技術將會占據著十分重要的戰略地位，未來，氫燃料電池的使用壽命、使用條件等，也將會成為研究的熱門領域。