关于燃料电池汽车的关键技术分析介绍

导读：燃料电池发电原理与原电池或二次电池相似，电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水（图1）。燃料电池单电池包括膜电极组件（MEA）、双极板及密封元件等。

中国燃料电池部分技术指标已经达到或超过全球同类商品的水平，未来燃料电池汽车可能满地跑啦。与时俱进的你，一定很想知道其中的关键材料与技术。

1 车用燃料电池技术链

燃料电池发电原理与原电池或二次电池相似，电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，反应产物为水（图1）。燃料电池单电池包括膜电极组件（MEA）、双极板及密封元件等。

图1 燃料电池工作原理

与原电池和二次电池不同的是，燃料电池发电需要有一相对复杂的系统（图2）。

图2 燃料电池系统组成

燃料电池汽车动力链的主流技术为“电-电”混合模式（图3），平稳运行时依靠燃料电池提供动力，需要高功率输出时，燃料电池与二次电池共同供电，在低载或怠速工况燃料电池给二次电池充电。

图3 燃料电池汽车动力链组成

典型的燃料电池动力系统车上布局如图4所示，可采用底板布局或前舱布局。

图4 燃料电池动力系统车上布局

2 燃料电池关键材料与部件

2.1电催化剂

电催化是燃料电池的关键材料之一，其作用促进氢、氧在电极上的氧化还原过程。研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂是目前的热点。

2.1.1 Pt-M催化剂

Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C等二元合金催化剂，在提高稳定性的同时，也提高质量比活性，还降低了贵金属的用量。如Chen等制备了高活性与高稳定性的电催化剂（图5）。

图5 Pt3Ni纳米笼结构ORR催化剂形成过程

2.1.2 Pt核壳催化剂

利用非Pt材料为支撑核、表面贵金属为壳的结构，可降低Pt用量，提高质量比活性。如中国科学院大连化学物理研究所制备的Pd@Pt/C核壳催化剂，其氧还原活性与稳定性好于商业化Pt/C催化剂（图6）。

图6 PdPt核壳催化剂质量比活性与稳定性与商业化催化剂比较

2.1.3 Pt单原子层催化剂

制备Pt单原子层的核壳结构催化剂是一种有效降低Pt用量、提高Pt利用率，同时改善催化剂的ORR性能的方式。美国国家实验室Adzic的研究组和海交通大学张俊良等在这方面比较活跃。

2.1.4 非贵金属催化剂

非贵金属催化剂的研究主要包括过渡金属原子簇合物、过渡金属螯合物、过渡金属氮化物与碳化物等。在这方面，各种杂原子掺杂的纳米碳材料成为研究热点，如N掺杂的非贵金属催化剂显示了较好的应用前景。

2.2 固态电解质膜

车用燃料电池中质子交换膜（PEM）是一种固态电解质膜，其作用是隔离燃料与氧化剂、传递质子（H+）。目前常用的商业化质子交换膜是全氟磺酸膜，其化学式如图7所示。

图7 全氟磺酸Nafion膜的化学结构

图8 国产膜与进口商品膜燃料电池性能比较

此外，为了提高性能，日趋薄化的质子交换膜耐久性受到考验，于是一系列质膜改性而来的增强复合膜不断被开发出来。

2.3 气体扩散层（GDL）

GDL位于流场和催化层之间，其作用是支撑催化层、稳定电极结构，并具有质/热/电的传递功能。通常GDL由支撑层（憎水处理过的多孔碳纸或碳布）和微孔层组成（电炭黑和憎水剂构成）。表1为国产化碳纸与进口商品化碳纸比较，下一步需要建立批量生产设备。

表1 国产化碳纸与进口商品化碳纸性能比较

除了改进气体扩散层的导电功能外，近些年对气体扩散层的传质功能研究也逐渐引起人们重视（图9）。

图9 具有高孔隙率扩散层的膜电极

2.4 膜电极组件（MEA）

MEA是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件，是燃料电池的核心部件之一（图10）。

图10 MEA组成示意图

图11 新型MEA（a）及性能(b)

2.5 双极板（BP）

BP的作用是传导电子、分配反应气并带走生成水。采用的双极板材料如图12所示。

图12双极板

中国科学院大连化学物理研究所研究了金属双极板表面改性技术，提高双极板的导电、耐腐蚀性（图13）。

图13 金属双极板耐腐蚀与导电性能

2.6 燃料电池电堆

燃料电池电堆（图14）是燃料电池发电系统的核心。

图14 燃料电池电堆结构

目前，中国科学院大连化学物理研究所已建立了从材料、MEA、双极板部件的制备到电堆组装、测试的完整技术体系，开发的燃料电池电堆（图15）。

图15 中国科学院大连化学物理研究所开发的燃料电池电堆

日本丰田燃料电池电堆采用3D流场设计（图16），使流体产生垂直于催化层的分量，强化了传质，降低了传质极化。

图16 Mirai燃料电池流场（a）与电堆（b）

3 燃料电池系统部件

燃料电池包括燃料供应子系统、氧化剂供应子系统、水热管理子系统及监控子系统等，主要系统部件包括空压机、增湿器、氢气循环泵、高压氢瓶等。

3.1 空压机

车载空压机的任务是提供燃料电池发电所需要的氧化剂（空气中的氧气），常用的空压机种类有离心式、螺杆式、罗茨式等。目前，空压机还是瓶颈技术之一，广东省佛山广顺电器有限公司正在研究空压机（图17）。

图17 广东省佛山广顺电器有限公司开发的空压机

3.2 增湿器

反应气通过增湿器把燃料电池反应所需的水带入燃料电池内部，常用的增湿器形式包括膜增湿器、焓轮增湿器（图18）等。目前，发展趋势是采用氢气回流泵带入反应尾气的水，系统不需要增湿器部件。

图18 燃料电池增湿器

3.3 高压氢瓶

氢瓶主要分为四种类型：全金属气瓶（I型）、金属内胆纤维环向缠绕气瓶（II型）、金属内胆纤维全缠绕气瓶（III型）及非金属内胆纤维全缠绕气瓶（IV型）。国际上大部分燃料电池汽车采用的都是IV型瓶（图19）。国内目前还没有IV型高压氢瓶的相应法规标准。

图19 70MPa车载储氢瓶（IV型）

除了上述的系统部件外，系统的控制策略也非常重要。可以在现有材料的基础上通过优化控制策略，提高耐久性。

4 结论

燃料电池电动汽车动力性能高、充电快、续驶里程长、接近零排放，是未来新能源汽车的有力竞争者。