氢燃料电池汽车关键技术研究现状

1 燃料电池电堆

1.1 燃料电池的原理

燃料电池的本质是一个高效的能量转换器，是将氢气的化学能直接、高效地转化为电能。其通过允许质子或者离子穿透而不允许电子穿透的电池隔膜，将氢气与氧气的氧化还原反应拆分成两个半反应：在阳极催化层上发生的氢氧化反应和在阴极催化层上发生的氧还原反应；然后，电子只能通过外电路传递，从而为外电路上的负载提供电源。



1.2 催化剂

目前能满足实际应用要求的燃料电池氢氧化催化剂和氧还原催化剂只有铂基催化剂。而贵金属铂的高成本和稀缺性成为了燃料电池商业化推广的最大障碍之一。为此，研究人员主要采取了两种技术路线：一种是通过提高催化剂中贵金属的原子利用率来大幅降低贵金属的使用量，另一种是开发具有高效催化效果的非贵金属催化剂。



中科院长春应化所徐维林课题组开发出了一种低成本的单原子贵金属催化剂制备方法，通过富含碳缺陷的碳载体制备出超低铂载量的氧还原催化剂，与普通的商业化铂碳催化剂相比，其的铂用量下降了94.5%，而氧还原催化性能相当。重庆大学巍子栋课题组采用缓慢的热处理策略，合成了超高负载的单原子锌基氮碳催化剂，该催化剂具有与铁氮碳催化剂相当的氧还原催化活性，和更好的稳定性。尽管催化剂的低铂化和非铂化研究取得了不错的进展，但是这些新型催化剂在稳定性、制备成本等方面难以与商业化铂基催化剂相媲美，短期内商业化应用的催化剂成本难以显著下降。

1.3 燃料电池隔膜



燃料电池隔膜必须同时满足以下要求：质子或者离子传导率较高，气体渗透性低，稳定性好，机械强度好，成本较低等。目前市场上绝大部分的车载氢燃料电池均是使用质子交换膜，其中全氟磺酸聚合物膜是应用最广泛的质子交换膜，最具代表的就是美国杜邦公司研制的Nafion系列。



质子交换膜的缺点除了高昂的成本外，还不利于催化剂的非铂化和低铂化进程。因为质子交换膜决定了催化剂的应用环境是在酸性介质中，而在酸性介质中，非铂催化剂的催化性能难以与铂基催化剂相媲美；另一方面，在酸性条件下，铂基催化剂和非铂催化剂中的过渡金属容易溶解，致使隔膜被毒化、催化剂加速老化。因此阴离子交换膜成为了一种颇具潜力的发展方向；在阴离子交换膜燃料电池研究领域中，最主要的是去解决OH-传导率与阴离子交换膜的离子交换容量之间的矛盾。研究者选择胍等更强的有机碱作为头部基团，构建离子穿梭机制，以加速OH-的传输过程。不过这些进展还无法改善阴离子交换膜低离子电导率的事实。

1.4 双极板



双极板的材料，主要分为石墨、金属和复合材料三类。双极板除了需要具有导电性好、耐腐蚀性强、机械性能好、质量轻等特点，其气体流道、密封性等设计还需要满足燃料电池气体扩散和水管理等要求：氢气/氧气能够快速、均匀、充分地扩散至催化剂表面，同时保证反应产物水的及时排除，致使气液固三相界面保持最优状态。同济大学通过CFD技术对平行流道、网格流道、蛇形流道、螺旋流道的双极板传质面积、气体分布均匀性及流道阻力进行对比研究发现：双极板为单流道时采用网格流道性能较佳，多流道时采用螺旋流道性能较佳。

2 车载氢系统

2.1 储氢技术




氢能储存技术的发展，不仅有利于提高储运效率、降低储运成本、保障储运安全，更对燃料电池汽车的续航里程和市场竞争力有着至关重要的影响。从存储形态上，可将储氢划分为气体储氢、液体储氢和固体储氢三种。短期内能够满足车载储氢要求的只有通过容器存储压缩氢气。目前国内大部分的车载储氢瓶为35MPa铝内胆碳钎维全缠绕型，其较低的工作压力使得燃料电池汽车在续航里程上并无明显优势；不过70MPa铝内胆碳钎维全缠绕型储氢瓶已经有少量应用了。国际上的主流车载储氢技术为70MPa塑料内胆碳钎维全缠绕型储氢瓶，其质量更低、内胆的冲击韧性更强。研究表明：储氢瓶的材料开发与选择、内部复合结构设计、碳钎维缠绕方式设计等都对其储氢性能有着至关重要的影响。

2.2 车载氢系统及氢安全



燃料电池汽车上与氢气加注、存储、输送、供给、监测和控制等有关的装置统称为车载氢系统，车载氢系统与燃料电池汽车的氢安全密切相关。氢安全是燃料电池汽车在安全方面所面临的关键问题，氢安全具有其特殊性，因为氢气是极度易燃易爆的高能量气体；高压氢气又对存储和输送等装置的密封性、耐冲击性、可靠性等方面要求苛刻。储氢容器、输送管路和加氢口需要安装在远离热源、远离电弧源和机械防护性好的位置，同时需要监控内部氢气的压力、温度和潜在泄漏点的氢气浓度，并保证其具有密封性好、耐振动等特性，避免极端情况下的氢气泄漏及其导致的安全事故。此外，氢系统的主动防护设计需保证：当车辆发生严重碰撞等交通事故时，氢系统主阀会立刻自动关闭，以切断向管路的氢气供应。


氢安全不仅对燃料电池汽车本身提出了苛刻的要求，也对地下停车场和隧道等场地的安全设计提出了新的要求。一般而言，露天环境下的氢气泄漏危害性较小，因为氢气的密度轻、会快速向上扩散稀释，即便是遇到明火，危害性也远小于汽油等传统车载燃料；然而当场地变成了地下停车场和隧道后，车辆上泄漏的氢气会滞留、聚积并能够大范围扩散，一旦泄漏量积累到一定程度后发生爆炸，将会危及整个停车场或隧道及其上层建筑，危害性极大。因此，当燃料电池汽车初步普及后，不仅应及时在有需求的地下停车场等场地安装氢气泄漏监测设备，更要发展适合燃料电池汽车的敞开式立体车库。



3 结语

除了本文介绍的燃料电池电堆及其核心组件和车载氢系统以外，车载燃料电池管理系统、工业制氢技术和加氢站建设等都对燃料电池汽车的商业化进程有着举足轻重的影响。在短期内，国内燃料电池汽车的大部分关键材料和组件还不得不依赖进口。我们除了关注国内燃料电池汽车产量和销量的增长外，更需加大核心部件的技术研发投入，把核心技术牢牢地掌握在自己手中。