【【干货】氢燃料电池关键零部件发展现状】

  当前人类建立在以消耗煤炭、石油、天然气为主的不可再次生产的能源基础之上的经济发展模式，导致了一天比一天突出的环境污染和温室效应问题。为实现人类社会可持续发展，建立人与自然的和谐关系，发展风能、水能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等绿色能源，变成全球各国高度关注的课题。氢燃料电池是实现氢能转换为电能利用的关键载体，在碳中和、碳达峰目标提出后，获得了基础研究与产业应用层面新的高度关注。

  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。

  氢燃料电池与常见的锂电池不同，系统更复杂，主要由电堆和系统部件（空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶）组成。电堆是整个电池系统的核心，包括由膜电极、双极板构成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的关键材料是质子交换膜、催化剂、气体扩散层，这些部件及材料的耐久性（与其他性能）决定了电堆的常规使用的寿命和工况适应性。近年来，氢燃料电池技术探讨研究集中在电堆、 双极板、控制技术等方面，氢燃料电池技术体系及部分相关前沿研究如图所示。

  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。

  在氢燃料电池系统中，膜电极（MEA）是核心组件，通常由阴极扩散层、阴极催化剂层、电解质膜、 阳极催化剂层和阳极气扩散层组成，直接决定了氢燃料电池的功率密度、耐久性和常规使用的寿命。根据MEA内电解质的不同，常用的氢燃料电池分为：

  各类型燃料电池拥有相对应的燃料种类、质量比功率和 面积比功率性能，其中质子交换膜燃料电池以启动时间短（~1min）、操作温度低（100 ℃）、结构紧密相连、功率密度高等成为研究热点和氢燃料电池汽车迈入商业化进程的首选。MEA装配工艺有热压法（PTFE法）、梯度法、CCM（catalyst coated-membrane）和有序化方法等。热压法是第一代技术；目前普遍的使用的是第二代的CCM方法，包括转印、喷涂、电化学沉积、干粉喷射等，具有高铂利用率和耐久性的优点；有序化方法可使MEA具有最大反应活性面积及孔隙连通性，以此实现更高的催化剂利用率，是新一代MEA制备技术的前沿方向。

  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，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。

  氢燃料电池中的双极板（BPs）又称流场板， 起到分隔反应气体、除热、排出化学反应产物（水）的作用；需满足电导率高、导热性和气体致密性好、机械和耐腐蚀和抗老化性能优良等要求。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主要的因素。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，石墨双极板导电性好，但脆性大难以大批量生产和经常使用，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，已发展成为主流技术。

  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3.1kW/L。国内北京氢璞、上海神力等公司已开发出金属板氢燃料电池，功率密度超过2kW/L。

  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，由于受到催化剂基础材料技术、制备工艺等限制，日本领先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1g/kW，而丰田Mirai所搭载的氢燃料电池仅为0.30g/kW。这促使了国产电堆成本比较高，因此国内针对氢燃料电池催化剂的研究重点放在了怎么来降低铂载量上。

  燃料电池常常要良好的空气供应才能发挥作用，空气压缩机用于将空气推入燃料电池堆。燃料电池从进入的空气中提取氧气，以在阴极进行反应。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。具体的应用有DOE公司与Author. Little合作设计应用于50kW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 65kW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，由此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。

  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。车辆储氢主要选择高压氢气储存方法，因此安全且量大的储氢罐就显得很重要。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，国内早期应用其存储35MPa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70MPa。

  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、边缘和底部，使得质量效率比原来提高了20%，达到了全球顶配水平的5.7%。

  近年来，我国的氢燃料电池技术基础研究较为活跃，在一些技术方向具备了与发达国家“比肩” 的条件；但总的来看，所掌握的核心技术水平、综合技术体系尚不及具有领头羊的国家。当前，我国提出了将于 2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中和的发展愿景。积极发展氢能，引导高碳排放制氢工艺向绿色制氢工艺转变，是能源革新发展，实现碳达峰、碳中和的重要举措。

  研究表明，氢能及氢燃料电池技术有望大规模应用在汽车、便携式发电和固定发电站等领域，氢能将是我国能源领域的战略性新兴起的产业，氢燃料电池技术也将是实现氢能利用的先决条件。未来，氢燃料电池将在电池使用寿命和密度、冷启动性能、燃料存储设备和薄膜材料、应用场景范围将得到更进一步的提高。

  [1]刘应都,郭红霞,欧阳晓平.氢燃料电池技术发展现状及未来展望[J].中国工程科学,2021,23(04):162-171.

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