随着全球经济快速发展所引发的环境和能源问题日渐凸显,温室气体和有毒有害物质排放引起各个国家的高度关注,降低车用化石能源的使用是解决这些问题的重要措施,近些年来,新能源汽车产业迅速发展,引起全球汽车产业新变革。
氢能和氢燃料电池是实现我国能源清洁利用、能源消费结构优化的重要途径。氢能具有来源广泛、可再生、稳定存储、快速补充等优势。中国氢能产业在政府的支持下正进入快速发展阶段,其产业化落地进程不断加快。在新一轮能源革命驱动下,世界各国高度重视氢燃料电池技术,以支持低碳清洁的发展模式。发达国家或地区积极发展“氢能经济”,制定了《全面能源战略》(美国)、《欧盟氢能战略》(欧盟)、《氢能 / 燃料电池战略发展路线图》(日本)等发展规划,推动燃料电池技术的研发、示范和商业化应用。我国也积极跟进氢能发展战略,《能源技术革命创新行动计划(2016—2030)》、《汽车产业中长期发展规划》(2017 年)等国家政策文件均明确提出支持燃料电池汽车发展。本文重点分析国内外氢燃料电池技术关键材料、核心组件的研发与应用现状。
 

氢燃料电池堆关键组件及材料

1.膜电极组件

膜电极是电堆的核心,类似于电脑里的CPU,决定了电堆性能、寿命和成本的上限。膜电极组件由质子交换膜、催化剂和气体扩散层(气体扩散层)组成。其主要性能指标包括单位表面积的输出功率(功率密度)、贵金厲用量(单位功率输出的铂用量)、寿命和成本。膜电极生产目前采用的是第二代生产技术催化剂涂膜(CCM)技术,具有卷对卷(Roll-to-Rioll)连续化高速生产能力。
(1)质子交换膜(PEM)
质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心元件,是一种聚合物电解质膜,质子交换膜目前主流趋势是全氟磺酸增强型复合膜,质子交换膜逐渐趋于薄型化,有几十微米降低到十几微米,降低质子传递的欧姆极化,以达到更高的性能。
(2)催化剂
在氢燃料电池的电堆中,电极上氢的氧化反应和氧的还原反应过程主要受催化剂控制。催化剂是影响氢燃料电池活化极化的主要因素,被视为氢燃料电池的关键材料,目前燃料电池中常用催化剂是Pt/C,即由Pt的纳米颗粒分散到碳粉(如XC-72)载体上的担载型催化剂。
(3)气体扩散层
气体扩散层(GDL)包括碳纤维基层和碳微孔层,位于流场和膜电极之间,主要作用是为参与反应的气体和产生的水提供传输通道,并支撑膜电极。因此,GDL必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性。
 

2. 双极板

双极板是电堆的核心结构零部件,起到均匀分配气体、排水、导热、导电的作用,占整个燃料电池大约60%的重量和将近20%的成本,其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。双极板材料分为碳基和金属基材料两大类,碳基极板又分为石墨板和复合膜压碳板两大类。
石墨双极板一般以无孔石墨板或碳板作为基材,并使用数控机床进行流道加工,国内石墨双极板技术近年来发展十分迅速,技术水平与国外相当,但厚度通常在2mm 以上。复合膜压碳板在国外已突破 0.8mm 薄板技术,具备与金属板同样的体积功率密度。石墨和金属双极板性能对比如表1所示。
 
表1石墨和金属双极板性能对比

氢燃料电池技术架构及关键技术梳理

氢燃料电池系统

为了维持电堆的正常工作,氢燃料电池系统还需要氢气供应系统、水管理系统、空气系统等外部辅助子系统的协同配合,对应的系统部件有氢循环泵、氢瓶、增湿器、空气压缩机。燃料电池在工作状态下会产生大量的水,过低的水含量会产生“干膜”现象,阻碍质子传输;过高的水含量会产生“水淹”现象,阻碍多孔介质中气体的扩散,导致电堆输出电压偏低。从阴极侧穿透到阳极的杂质气体(N2)不断积累,阻碍氢气与催化剂层的接触,造成局部“氢气饥饿”而引起化学腐蚀。因此,水的平衡对 PEM 氢燃料电池的电堆寿命具有重要意义,解决途径是在电堆中引入氢气循环设备(循环泵、喷射器)来实现气体吹扫、氢气重复利用、加湿氢气等功能。
燃料电池系统的耐久性一方面受制于电池堆的耐久性,另一方面则由于车载环境燃料电池堆工作条件控制效果不佳,加速了电池堆的性能衰减。现阶段,燃料电池耐久性测试存在干扰因素多、测试周期长、成本高等困难,燃料电池堆衰减机理和寿命预测建模、燃料电池堆加速老化测试与快速评价、燃料电池健康状态在线辦识与故障诊断等技术的缺失已无法满足产业快速发展的需求,需要进行重点攻关,以建立燃料电池系统耐久性技术体系。
 

我国氢燃料电池汽车阶段性发展目标

2020-2024年,初步实现氢燃料电池汽车商业化应用,规模达到8000-10000辆,投入运营加氢站100座以上。到2025年,加快实现氢燃料及燃料电池汽车的推广应用,优化燃料电池系统结构设计,加速关键部件产业化,降低制造成本,致使燃料电池汽车市场保有量达到5万-10万辆。到2030年,实现氢燃料电池汽车大规模推广应用,实现制氢、存储、运输、应用一体化,建立完善的氢能及燃料电池产业链,燃料电池汽车达80万-100万辆。
我国目前在氢燃料电池电堆及其关键材料领域已初步形成产业链,但技术成熟度差距较大。在技术路线方面,车用氢燃料电池电堆大都选择了质子交换膜体系,金属板电极和石墨板电极并存。商用车的氢燃料电池系统采用的是石墨板或者复合板,还没有采用高功率密度的金属双极板。石墨板电堆在性能上近年来有较大提升,但与金属板电堆仍有显著的差别,虽然目前成本较低,但从加工便利性和材料发展趋势分析,金属板成本会低于石墨板。从发展阶段来看,我国目前具备小规模推广氢燃料电池汽车的应用条件。
基于2035年燃料电池发展目标,关键在于燃料电池堆与关键部件的改进和创新,做到燃料电池性能好、耐久度高、成本低的市场需求,大大加强燃料电池的技术研发,建立可自主生产燃料电池及关键部件供应体系。
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原文始发于微信公众号(AI汽车制造业):氢燃料电池技术架构及关键技术梳理

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作者 808, ab