2020年12月23日，中國汽研成功舉辦《2020第三屆新能源汽車測試評價(jià)技術(shù)國際論壇》。中國汽研將持續(xù)為大家推送精彩演講實(shí)錄，本文為中科院大連化學(xué)物理研究所侯明博士帶來的《車用燃料電池電池堆及關(guān)鍵材料進(jìn)展》。

1 背景

能源環(huán)境方面，2019年全球碳排放達(dá)368億噸，交通行業(yè)所產(chǎn)生的二氧化碳排放量約占23%，中國是碳排放大戶。溫室效應(yīng)的背景下，2016年175個(gè)國家簽署《巴黎協(xié)定》，主要目標(biāo)是將本世紀(jì)平均氣溫上升幅度控制在2℃。能源安全方面，近兩年我國油氣對外依存度雙創(chuàng)新高，2019年石油對外依存度達(dá)到70.8%。積極研究石油短缺下汽車的能源問題，對保證能源安全具有重要意義。

工信部明確指出，我國將支持有條件的地方建立燃油汽車禁行區(qū)試點(diǎn)，在取得成功的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌研究制定燃油汽車退出時(shí)間表。2020年3月，海南出臺(tái)了《清潔能源汽車發(fā)展規(guī)劃》，規(guī)定2030年起全省全面禁止銷售燃油汽車。目前世界上約有十余個(gè)國家和地區(qū)出臺(tái)了禁售燃油車的時(shí)間表，其中荷蘭和挪威表示2025年，將全面禁售燃油車，而法國和英國也有望于2040年實(shí)現(xiàn)燃油車的全面禁售。

2020年9月22日，習(xí)主席在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話：“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，力爭2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。

氫作為溝通交通、發(fā)電和儲(chǔ)能三大領(lǐng)域的關(guān)鍵能源氣體，是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要媒介，是未來重要的能源形式，未來地位有望與石化資源比肩，預(yù)計(jì)2030年市場價(jià)值超萬億。燃料電池是氫能的理想轉(zhuǎn)化裝置，應(yīng)用非常廣泛，氫能和燃料電池是能源轉(zhuǎn)化利用清潔化、高效化的關(guān)鍵，是連接化石能源和可再生能源的橋梁。

2 車用燃料電池關(guān)鍵技術(shù)

燃料電池汽車的技術(shù)構(gòu)架分為：燃料電池整車（整車設(shè)計(jì)、裝配）；燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)（DC/DC，電機(jī)、電控）；燃料電池系統(tǒng)（空氣，氫氣供應(yīng)，水熱管理，控制）；燃料電池電堆（催化劑，膜，膜電極，雙極板）。

車用燃料電池關(guān)鍵技術(shù)包括：關(guān)鍵材料（電解質(zhì)膜，電催化劑，擴(kuò)散層）；關(guān)鍵部件（膜電極MEA，雙極板、端板，密封元件）；電堆（數(shù)百個(gè)單池，一致性，組裝工藝）；系統(tǒng)（反應(yīng)物供應(yīng)，水熱管理，自動(dòng)控制）。

2.1 電催化劑

Pt/C催化劑存在的問題是車載工況催化劑衰減；Pt資源有限、成本高；污染環(huán)境中毒；解決途徑為降低Pt用量（提高活性，或使用非Pt催化劑）；提高穩(wěn)定性（Pt-M催化劑、抗氧化載體）。目前Pt用量國際水平大概為0.3g/kW，國內(nèi)使用裝車的用量大概在0.3-0.5g/kW，未來希望用量在0.1g/kW以內(nèi)，相當(dāng)于汽車尾氣凈化器Pt的用量。

為了提高催化劑的活性和穩(wěn)定性，也做了很多種基于Pt的催化劑試驗(yàn)，比如Pt晶面控制催化劑；Pt-M合金催化劑；Pt-M核殼催化劑；Pt表面修飾催化劑；Pt單層催化劑；Pt納米線、薄膜；非Pt催化劑等，發(fā)現(xiàn)Pt-M催化劑替代Pt/C是催化劑的重要發(fā)展方向，利用Pt以外的過渡金屬M(fèi)通過其電子效應(yīng)和幾何效應(yīng)提高活性與穩(wěn)定性，現(xiàn)在Pt3Co/C已有商業(yè)化產(chǎn)品，但需要解決酸性環(huán)境下過渡金屬溶解的問題。

相關(guān)合金催化劑的研究，比如PtCu催化劑，其質(zhì)量比活性分別達(dá)到Pt/C的3.8倍；鉑鎳納米線催化劑的質(zhì)量與面積比活性分別達(dá)到Pt/C的2.5和3.3倍；三維石墨烯復(fù)合載體催化劑，當(dāng)rGO：FCB質(zhì)量比為1:2時(shí)，催化劑質(zhì)量活性為商業(yè)Pt/C的2.7倍；Pt單原子層核殼催化劑尚處于基礎(chǔ)研究階段，距離使用化還有一定距離；非貴金屬化合物催化劑研究取得一定進(jìn)展，由于活性低于Pt基催化劑，穩(wěn)定性差，尚未獲得實(shí)際應(yīng)用；非貴金屬催化劑的代表就是過渡金屬氮碳（M-N-C）催化劑，是非貴金屬催化劑的研究熱點(diǎn)，目前Fe/N/CF催化劑活性已經(jīng)達(dá)到應(yīng)用水平，但穩(wěn)定性還需進(jìn)一步考察，F(xiàn)e/N/CF催化劑是目前最有希望得到應(yīng)用的。

催化劑評價(jià)參數(shù)與評價(jià)方法見下表：

2.2 質(zhì)子交換膜

質(zhì)子交換膜的作用是固態(tài)電解質(zhì)，傳導(dǎo)質(zhì)子，分隔兩極，具有良好的離子傳導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性，目前常用的是長側(cè)鏈全氟磺酸膜化學(xué)結(jié)構(gòu)式，EW值為1100。電池性能隨Nafion膜厚度的變化而變化，隨著膜的減薄，質(zhì)子傳導(dǎo)高，電池性能上升；但膜減薄，機(jī)械性能下降，氣體滲透率增大，化學(xué)穩(wěn)定性差，存在熱、機(jī)械、化學(xué)衰減問題。因此膜的發(fā)展方向?yàn)閺?fù)合膜，復(fù)合膜替代均質(zhì)膜，可提高耐久性，目前最常用的是物理復(fù)合的多孔膜，除了增強(qiáng)機(jī)械性能以外，還需增強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性，比如添加自由基淬滅劑CeO2可提高膜的化學(xué)穩(wěn)定性。增強(qiáng)復(fù)合膜性能見下表：

高性能超薄增強(qiáng)復(fù)合膜，Gore采用獨(dú)創(chuàng)ePTFE創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜7.5um的超薄厚度，在提升性能的同時(shí)控制成本，優(yōu)化生產(chǎn)工藝達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)，加速試驗(yàn)表明，7.5um的膜氫氣滲透量更低，表現(xiàn)出較好的耐久性；靜電紡絲納米纖維增強(qiáng)復(fù)合膜，研究表明，使用靜電紡絲技術(shù)制備PEM時(shí)，磺酸基團(tuán)可以沿著納米纖維排列形成連續(xù)的離子傳輸通道，促進(jìn)質(zhì)子傳遞，增大膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率；多功能復(fù)合膜，采用蒸氣誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)變法制備多孔SPEEK基膜，SPEEK/PFSA復(fù)合膜強(qiáng)度提高的同時(shí)，強(qiáng)化了質(zhì)子傳導(dǎo)，SPEEK/CeO2/PFSAZSM-5原位淬滅自由基，提高穩(wěn)定性。

質(zhì)子交換膜評價(jià)參數(shù)見下表：

2.3氣體擴(kuò)散層（GDL）

氣體擴(kuò)散層（GDL）由支撐層（多孔的碳紙或碳布+憎水劑）和微孔層（導(dǎo)電炭黑+憎水劑）組成，作用是支撐催化層，穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，氣液兩相傳遞，電子熱量傳遞，要求是具備良好的機(jī)械強(qiáng)度，合適的孔結(jié)構(gòu)，良好的導(dǎo)電性，高化學(xué)穩(wěn)定性。

GDL的研究方向是改進(jìn)氣體擴(kuò)散層的導(dǎo)電功能；改進(jìn)氣體擴(kuò)散層的傳質(zhì)功能，如日本豐田公司的高孔隙結(jié)構(gòu)、低密度的擴(kuò)散層；改進(jìn)微孔結(jié)構(gòu)，通過微孔層的修飾、梯度結(jié)構(gòu)等，改進(jìn)水管理；自支撐GDL，無碳紙支撐層的GDL新型結(jié)構(gòu)，目前處于研發(fā)階段。

碳紙?jiān)u價(jià)參數(shù)見下表：

2.4膜電極（MEA）

催化劑、膜、擴(kuò)散層組成膜電極（MEA），存在的問題是催化劑利用率低；催化層結(jié)構(gòu)無序；界面?zhèn)鬟f阻力大。發(fā)展方向是降低Pt用量；減少歐姆、傳質(zhì)極化；提高大電流性能。

三種電極比較：減少傳遞阻力，提高Pt利用率、提高穩(wěn)定性。

納米纖維低Pt膜電極，采用靜電紡絲技術(shù)，催化劑與電解質(zhì)共紡；Pt/C催化劑與紡絲液紡絲過程發(fā)生相分離，催化劑包覆于纖維表面；改善近Pt表面?zhèn)髻|(zhì)，提高了大電流密度區(qū)的性能；Pt-M合金的電子效應(yīng)，提高了催化劑穩(wěn)定性。同時(shí)實(shí)現(xiàn)低Pt用量。

MEA批量生產(chǎn)技術(shù)，目前國際流行的發(fā)展卷對卷涂布量產(chǎn)技術(shù)，降低制造成本，滿足產(chǎn)能需求。大連化物所張家港產(chǎn)研院中試產(chǎn)線膜電極涂布車間，采用卷對卷涂布工藝，可滿足連續(xù)涂布、間歇涂布及條紋涂布等工藝需求，并實(shí)現(xiàn)催化層厚度及一致性、涂布缺陷檢測等在線產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控，可年產(chǎn)8-10萬平方米性能優(yōu)異、耐久性強(qiáng)的膜電極CCM產(chǎn)品。

MEA評價(jià)參數(shù)見下表：

2.5雙極板

燃料電池各種雙極板特性比較見下表：

薄金屬?zèng)_壓雙極板是目前車用燃料電池常用類型，因其體積、功率、密度可以達(dá)到很高，關(guān)鍵技術(shù)包括表面處理、流場設(shè)計(jì)、成型技術(shù)、焊接技術(shù)、密封技術(shù)等。

非貴金屬/導(dǎo)電/耐腐蝕表面處理技術(shù)，由于燃料電池的腐蝕環(huán)境所以要進(jìn)行表面處理，表面處理層需要采用導(dǎo)電耐腐蝕兼?zhèn)涞耐繉?，現(xiàn)在研制的多層復(fù)合涂層技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了美國DOE的產(chǎn)品目標(biāo)要求。

微流場設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)，3D流場設(shè)計(jì)與傳輸增強(qiáng)機(jī)理，有效降低傳質(zhì)極化；提高大電流性能；電堆比功率提升。

多特征微流道精密成形技術(shù)，針對燃料電池極板成形結(jié)構(gòu)密集特征尺寸特點(diǎn)，建立薄板材料的微沖壓成形本構(gòu)關(guān)系；基于有限元方法，模擬雙極板成形工藝，滿足精密尺寸精度、無殘余應(yīng)力的要求。殘余應(yīng)力使晶格變化，原子偏離平衡位置處于較高能量狀態(tài)，即本身自由能增加，自身電位降低，導(dǎo)致腐蝕傾向增加。

雙電極批量生產(chǎn)技術(shù)，雙電極批量生產(chǎn)技術(shù)也是研究的熱點(diǎn)，包括剪板，沖壓，焊接，表面處理等工程化技術(shù)。

雙極板評價(jià)參數(shù)見下表：

2.6 燃料電池堆

膜電極和雙極板組成燃料電池堆，電堆是由若干單電池組成，反應(yīng)物并聯(lián)，電串聯(lián)，起到“質(zhì)：傳輸反應(yīng)物-電：傳導(dǎo)電、質(zhì)子-熱：傳遞反應(yīng)熱”多相傳遞的作用。

電堆一致性是保證大功率電堆性能的關(guān)鍵，電堆一致性影響因素包括設(shè)計(jì)過程（反應(yīng)流體的分配，冷卻流體的分配）；制造過程（部件材料制備的均一致；機(jī)械加工、組裝的均一致）；操作過程（局部水淹、局部熱點(diǎn)；應(yīng)力松弛、材料畸變）；環(huán)境因素（邊緣效應(yīng)；低溫、振動(dòng)）。

電堆組裝工藝，包括壓力機(jī)組裝，低接觸電阻，良好的密封（獨(dú)立密封元件，雙極板集成式，MEA集成式，密封膠粘結(jié)式），密封是電堆的重要技術(shù)之一。

電堆生產(chǎn)線，明天氫能建設(shè)了首個(gè)萬套級(jí)電堆生產(chǎn)線，有八條自動(dòng)化生產(chǎn)線：自動(dòng)化雙極板沖壓；全自動(dòng)雙極板焊接線；MEA生產(chǎn)線；智能電堆組裝線；電堆活化&測試線；MEA測試線；全自動(dòng)化燃料電池系統(tǒng)組裝線；燃料電池系統(tǒng)測試線。

電堆的發(fā)展方向是長壽命、低成本、高比功率、大功率單堆。

燃料電池堆路線圖2.0見下表：

燃料電池汽車路線圖2.0見下表：

3 車用燃料電池發(fā)展建議

促進(jìn)現(xiàn)有國內(nèi)核心材料研發(fā)成果的轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可控供應(yīng)；重視核心材料批量生產(chǎn)工藝與裝備的研究，建設(shè)關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)化基地；加速現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)與檢測平臺(tái)建設(shè)，促進(jìn)產(chǎn)品技術(shù)水平的提升；完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，指導(dǎo)燃料電池示范與運(yùn)營；重視前沿技術(shù)布局，滿足未來技術(shù)體系更新提升的需求（高溫質(zhì)子交換膜、非Pt催化劑、堿性聚合物膜）。

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