前言

氫能是未來(lái)重要的能源形勢(shì)，其能量密度是石油的3倍、煤炭的4.5倍，未來(lái)的地位有望與化石資源比肩。

氫燃料電池是氫能的轉(zhuǎn)化裝置，以氫氣為燃料，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電裝置。燃料電池從汽車的技術(shù)構(gòu)架來(lái)講，可以分為4個(gè)層次，從最外面的是燃料電池和整車，接下來(lái)一層是燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，再下來(lái)一層是燃料電池系統(tǒng)、最里面一層是燃料電池電堆。

而本文介紹的，就是最內(nèi)部的一層，關(guān)于電堆的6個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

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燃料電池電堆

1.1 //  燃料電池分類

1.2 //  燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域分類

1.3 //  質(zhì)子交換膜燃料電池電堆構(gòu)成

燃料電池電堆是氫能源車的“心臟” ，燃料電池電堆主要由催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層、雙極板，以及其他結(jié)構(gòu)件如密封件、端板和集流板等組成。膜電極與其兩側(cè)的雙極板則組成燃料電池的基本單元。

1.4 //  質(zhì)子交換膜燃料電池電堆成本構(gòu)成

燃料電池電堆成本占據(jù)燃料電池系統(tǒng)成本60%以上，相比國(guó)外燃料電池電堆，國(guó)內(nèi)電堆在核心材料與關(guān)鍵技術(shù)方面仍存在短板，關(guān)鍵材料與核心零部件國(guó)產(chǎn)化為降本關(guān)鍵。

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質(zhì)子交換膜

2.1 //  質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜也稱為質(zhì)子膜或氫離子交換膜，是一種離子選擇性透過(guò)的膜，在電池中起到為質(zhì)子遷移和傳輸提供通道、分離氣體反應(yīng)物并阻隔電解液的作用。

2.2 //  質(zhì)子交換膜分類

從膜的結(jié)構(gòu)來(lái)看，PEM 大致可分為三大類：磺化聚合物膜，復(fù)合膜，無(wú)機(jī)酸摻雜膜。目前研究的 PEM 材料主要是磺化聚合物電解質(zhì)，按照聚合物的含氟量可分為全氟磺酸質(zhì)子交換膜、部分氟化質(zhì)子交換膜以及非氟質(zhì)子交換膜等。

2.3 //  全氟磺酸膜工作原理

2.4 // 制備工藝

2.5 // 技術(shù)發(fā)展要求

針對(duì)車用燃料電池的要求，重點(diǎn)突破高溫低濕條件下應(yīng)用的質(zhì)子交換膜的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)；結(jié)合酸性膜和堿性膜的發(fā)展，創(chuàng)新雙性膜等應(yīng)用技術(shù)。

3

催化劑

3.1 //  催化劑

雖然燃料電池中的氧化還原反應(yīng)，在熱力學(xué)上是自發(fā)進(jìn)行的，但反應(yīng)物與產(chǎn)物之間通常存在活化能的能壘，導(dǎo)致其動(dòng)力學(xué)過(guò)程緩慢。燃料電池催化劑起到降低電極反應(yīng)活化能、提高反應(yīng)速率的作用，是燃料電池的關(guān)鍵材料和運(yùn)行保障。

反應(yīng)能壘示意圖

氧還原反應(yīng)機(jī)理

3.2 // ORR催化劑的選擇

根據(jù)電極的不同，PEMFC的催化也不同，系統(tǒng)中陽(yáng)極催化劑通常針對(duì)的是不同的燃料，使用的是抗毒性較強(qiáng)，穩(wěn)定性較高并且活性高的電催化劑，陰極電催化劑則主要考慮燃料滲透以及氧還原穩(wěn)定性及電催化活性的問(wèn)題。

O2在催化劑表面的吸附方式

火山曲線圖

3.3 // 主要研究方向

構(gòu)建Pt 基合金，利用配體電子效應(yīng)優(yōu)化氧吸附能，調(diào)控晶格常數(shù)，利用應(yīng)力效應(yīng)優(yōu)化氧吸附能，調(diào)節(jié)表面 Pt原子的配位數(shù)及配位環(huán)境；構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)，提高 Pt 原子利用率，同一催化劑中往往存在多種上述效應(yīng)。

3.4 // Pt基催化劑結(jié)構(gòu)示意圖

3.5 // 沉積技術(shù)

燃料電池電堆成本占據(jù)燃料電池系統(tǒng)成本60%以上，相比國(guó)外燃料電池電堆，國(guó)內(nèi)電堆在核心材料與關(guān)鍵技術(shù)方面仍存在短板，關(guān)鍵材料與核心零部件國(guó)產(chǎn)化為降本關(guān)鍵。

3.6 // 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

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氣體擴(kuò)散層

4.1 //  氣體擴(kuò)散層

發(fā)生在氣體擴(kuò)散層上的過(guò)程有：熱轉(zhuǎn)移過(guò)程、氣態(tài)輸運(yùn)過(guò)程、兩相流過(guò)程、電子輸運(yùn)過(guò)程、表面液滴動(dòng)力學(xué)過(guò)程等，氣體擴(kuò)散層的主要功能包括實(shí)現(xiàn)氣體在催化劑表面的擴(kuò)散，支撐催化劑、導(dǎo)通電流、排除反應(yīng)生產(chǎn)水等。

PEMFC內(nèi)部水-氣傳質(zhì)過(guò)程

4.2 // 基底層材料

基底層材料通常選用能導(dǎo)電的碳纖維紙及碳纖維布，它的宏觀有序或微觀無(wú)序排列的纖維結(jié)構(gòu)為氣體及水的傳導(dǎo)建立孔隙結(jié)構(gòu)。

4.3 // 工藝流程

GDL 的厚度、表面預(yù)處理會(huì)影響傳熱和傳質(zhì)阻力，是整個(gè)氫燃料電池系統(tǒng)濃差極化、歐姆極化的主要源頭之一；通常以減小 GDL 厚度的方式來(lái)降低濃差極化、歐姆極化，但也可能導(dǎo)致 GDL 機(jī)械強(qiáng)度不足。因此，研制親疏水性合理、表面平整、孔隙率均勻且高強(qiáng)度的 GDL 材料，是氫燃料電池關(guān)鍵技術(shù)。

4.4 // 制備工藝

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膜電極

5.1 //  膜電極

膜電極是電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，是傳遞電子和質(zhì)子的介質(zhì)，為反應(yīng)氣體、尾氣和液態(tài)水的進(jìn)出提供通道，涉及三相界面反應(yīng)、復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過(guò)程。決定燃料電池的性能、壽命和成本。

5.2 // 制備工藝

膜電極是由陽(yáng)/陰極氣體擴(kuò)散層、陽(yáng)/陰極催化劑、質(zhì)子交換膜構(gòu)成的五合一結(jié)構(gòu)。

第三代：有序化膜電極

實(shí)現(xiàn)CL中催化劑載體、催化劑、質(zhì)子導(dǎo)體 （Nafion) 等物質(zhì)的有序分布，以此擴(kuò)大三相反應(yīng)界面、形成優(yōu)良的多相傳質(zhì)通道，進(jìn)而降低電子、質(zhì)子及反應(yīng)物的傳質(zhì)阻力，提高催化劑利用率。

5.3 // 有序化膜電極結(jié)構(gòu)示意圖

3M公司有序化NSTF電極示意圖

催化劑載體為有序的有機(jī)晶須；催化劑在晶須狀有機(jī)體上面形成一層Pt基合金薄膜。

5.4 // 劣化機(jī)制與開(kāi)發(fā)應(yīng)對(duì)手段

5.5 // 產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

我國(guó)提出了“將于2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”的發(fā)展愿景。積極發(fā)展氫能，引導(dǎo)高碳排放制氫工藝向綠色制氫工藝轉(zhuǎn)變，是能源革新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的重要舉措。

國(guó)家氫能動(dòng)力質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心聚焦氫能應(yīng)用，基于安全、綠色、體驗(yàn)三個(gè)維度，打造集檢測(cè)認(rèn)證、標(biāo)準(zhǔn)體系、數(shù)據(jù)平臺(tái)、技術(shù)服務(wù)、應(yīng)用推廣、產(chǎn)業(yè)孵化等服務(wù)為一體的氫能動(dòng)力綜合服務(wù)平臺(tái)，為氫能產(chǎn)業(yè)化提供有力支撐，促進(jìn)重慶市及全國(guó)氫能動(dòng)力產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為我國(guó)能源、汽車和裝備制造產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型發(fā)展提供有力保障。

本文作者

付 娜

新能源中心

燃料電池測(cè)評(píng)研究工程師

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