氢燃料电池关键零部件现状研究

傅家豪, 邹佩佩,余忠伟,高新梅

(西华大学汽车与交通学院，四川成都 610039)

0 引言

受限于全球能源短缺和气候变暖的严峻形势，针对新能源汽车的技术要求越来越高，我国已经制定了布局于整车电气化领域发展新能源汽车的国家长期战略方针。氢燃料电池汽车、纯电动汽车、插电式混合动力汽车成为我国新能源汽车三大路线。纯电动汽车存在续航里程较短、充电时间长的劣势；插电式混合动力汽车仍需传统能源，只能在一定程度上改善能源短缺与气候变暖的问题。氢燃料电池汽车具备能量转换效率高、无污染、能快速补充燃料等优点受到市场的关注和需求越来越高。CHANG等[1-3]分析了氢燃料电池应用于汽车的前景与技术，认为未来氢燃料汽车将会得到有效使用。邵志刚等[4-7]针对氢燃料汽车当前应用状况做了详细叙述，其技术发展将朝着高效、安全、低成本的方向发展。王冰等人[8-11]介绍了氢燃料多种生产方式的优劣对比、氢燃料电池汽车的不同供氢方式的优缺点，综合对比出储氢瓶供氢成本低、安全性高，可以广泛应用。刘义鹤等[12-14]对比了目前不同材料的质子交换膜，认为进一步提高质子交换膜的使用耐久性、寿命和工作性能仍然是质子交换膜燃料电池产业化面临的主要任务。WANG等[15-19]对氢燃料电池的工作原理做了介绍，并逐一分析燃料电池关键零部件的现状，阐明了质子交换膜燃料电池的基本原理对技术进步、障碍突破和优化设计具有重要意义。南皓雄等[20]还介绍了当前国内燃料电池催化剂的制备现状 。氢燃料电池系统作为氢燃料电池汽车关键部分，针对氢燃料电池关键零部件技术及产业现状的研究，对我国更进一步发展氢燃料电池汽车及相关产业具有重要的指导意义。

1 氢燃料电池关键零部件现状

氢燃料电池是把氢气的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。单体电池由正负两个电极(氢燃料电极、氧化剂电极)以及电解质组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧化还原反应，电子通过外电路做功，产生电能。只要有氢燃料和氧化剂(纯氧或空气)不断输入，燃料电池就能源源不断地产生电能。这样的工作特性决定了氢燃料电池兼具普通化学电池和内燃机的特点，具有能量转化效率高、无环境污染物排放等特优点。

氢燃料电池系统作为一个多耦合性的复杂系统，由质子交换膜、双极板、催化剂、空压机、储氢罐、碳纸等大量的关键零部件构成。不同材质、不同结构的零部件具有差异较大的工作特性，它们对氢燃料电池的输出特性、工作寿命有着决定性的影响。因此合理地选用关键零部件不仅可以提高氢燃料电池的性能，还可以在一定程度上降低高昂的成本。

1.1 质子交换膜

质子交换膜主要用来传递质子(氢离子)及隔离燃料、氧化剂，因此质子交换膜需要具备良好的质子传导率、化学稳定性、机械稳定性，所以理想的膜材料是那些表现出高离子电导率，同时防止电子传输与氢气和氧气的交叉的膜材料。国内外所使用质子交换膜类型包含全氟磺酸型PEM、部分氟化磺酸型PEM、新型非氟聚合物PEM等类型，几种类型的性能见表1，全氟磺酸型PEM具有极高的化学稳定性，目前应用最广泛。如丰田 Mirai、本田Clarity、现代 NEXO 和国内新源均采用戈尔机械增强复合膜，主要成分为 ePTFE(增强膨胀聚四氟乙烯)+新型氟化离子聚合物。目前氢燃料电池质子交换膜基本由国外垄断和控制，国内企业或研究单位尚处于研究攻关阶段，未达到量产能力。

表1 质子交换膜

1.2 双极板

双极板是氢燃料电池体积和质量密度的决定因素，也是影响制造成本的重要因素。当前处于市面上的主要有无孔石墨双极板、金属双极板、复合材料双极板等几种类型见表2。石墨双极板导电性好，但脆性大难以大批量生产和长期使用，金属双极板强度高、韧性好、导电导热性好，但在PEMFC工作环境下易被腐蚀，复合材料双极板结合了石墨板和金属板的优点，具有耐腐蚀、体积小、质量轻、强度高等优点，已成为发展的主流技术。国外丰田 Mirai、本田Clarity使用钛金属双极板，通过采用优化流体通道、提高气体扩散性等措施提高功率密度，目前已达到3.1 kW/L。国内北京氢璞、上海神力等公司已经开发出金属板氢燃料电池，功率密度超过 2 kW/L。

表2 双极板

1.3 催化剂

催化剂是加快氢燃料电池电化学反应的物质，它能通过降低活化能、提高反应速率。国内外常利用过渡金属元素与铂合金物两两组合来增强催化剂稳定性、耐腐性，如 Pt-Co/C、Pt-Ni/C。氢燃料电池最常见的催化剂是铂合金、纳米结构薄膜合金、石墨化催化剂等见表3。由于受到催化剂基础材料技术、制备工艺等限制，日本先进水平质子交换膜氢燃料电池的铂载量仅为国内的1/3～1/4，国内氢燃料电池电堆铂载量约1 g/kW，而丰田Mirai所搭载的氢燃料电池仅为0.30 g/kW。这促使了国产电堆成本较高，因此国内针对氢燃料电池催化剂的研究重点放在了如何降低铂载量。

表3 催化剂

1.4 空压机

空压机对空气供应起到决定性作用，能够结合电堆输出功率产生驱动作用为氢燃料电池提供相应流量及压力的空气。国外对氢燃料电池专用空压机的开发及使用比国内成熟。氢燃料电池系统所应用的空压机结构较多，有涡轮式空压机、离心式压缩机、螺杆式空压机等类型见表4。具体的应用有DOE公司与Author.Little合作设计应用于50 kW的涡轮式空压机、戴姆勒公司应用于梅赛德斯奔驰A级氢燃料电池的螺杆式空压机、同济大学研究的应用于65 kW氢燃料电池系统的离心式压缩机。螺杆式空压机质量与噪声较大；涡轮式空压机效率、密度不及于离心式，综上所述离心式空压机在密度、效率、噪声等方面具有最好的综合效果，是今后最主流的发展方向。

表4 空压机

1.5 储氢罐

目前对于纯氢的储存方法主要有高压氢气储存、液态氢气储存、活性炭吸附氢气、金属储氢和碳纳米材料储氢等。对于车辆储氢则主要应用高压氢气储存方法，因此安全而又储氢量大的储氢罐就显得尤为重要。车载氢气瓶的主要类型有金属型气瓶、金属内胆环向缠绕气瓶、金属内胆全缠绕气瓶、塑料内胆全缠绕气瓶等。金属型气瓶由于本身物理特性储氢压力较低、质量较大，国内初期应用其存储35 MPa的高压氢气。为了改善其缺点，金属内胆环向缠绕气瓶、金属内胆全缠绕气瓶、塑料内胆全缠绕气瓶等类型逐渐产生，储氢压力提升到70 MPa。

例如丰田第三代MIRAI氢燃料电池汽车搭载的70 MPa的储氢罐，采用三层结构，内层是密封氢气的树脂衬里；中层是确保耐压强度的碳纤维强化树脂层；表层是保护表面的玻璃纤维强化树脂层。采用了特殊的缠绕工艺、方法实现储氢罐的强化与轻量化，如对含浸了树脂的碳纤施加张力使之卷起层叠的纤维缠绕工艺；环向缠绕、高角度螺旋缠绕和低角度螺旋缠绕方法分别强化了储氢罐筒部、边缘、底部，使得质量效率比原来提高了20%，达到了全球最高水平的5.7%。

2 结论

(1)由于全球对于氢燃料电池汽车前景的看好，当前氢燃料电池关键零部件在全球得到了大力有效的研发，已经形成了一定的成果并应用到了氢燃料电池实车上，但这些关键零部件的生产研发技术基本由国外垄断和控制，国内企业或研究单位只有少部分关键零部件达到量产水平，多数尚处于研发攻关阶段。我国还需要在质子交换膜、催化剂、储氢罐等关键零部件实现更进一步的突破，以此来使得国产氢燃料电池能解决低温启动难题，电堆比功率、耐久性得到更进一步提升。

(2)同时在全球范围内，针对氢燃料电池降低生产成本的研究将不断进行。未来的氢燃料电池将在电池寿命和密度、冷启动性能、燃料存储设备和薄膜材料、应用范围将得到更进一步的提高。