國內外車用燃料電池研究現狀及思考
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摘 要：隨著社會的進步和人員移動性增強，傳統內燃機汽車所帶來的環境污染和能源消耗問題逐漸加深。新能源汽車逐步成為汽車產業研究的熱點，車用燃料電池已成為新能源汽車技術創新和產業升級的亮點領域。簡述了車用燃料電池的背景和意義，分析了現有車用燃料電池的原理和優缺點，梳理了的關鍵技術和應用現狀， 為未來車用燃料電池的發展提出了思考和建議。
關鍵詞：燃料電池;車載;氫能;質子交換膜
中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.10.089
0 引言
隨著社會的進步和人員移動性增強，全球汽車需求量快速增長，但傳統內燃機汽車所帶來的能源消耗和環境惡化也不可避免。新能源汽車作為以非常規燃料作為動力來源的新型交通工具，具有環境污染小、資源消耗低、舒適性高等諸多優點，逐步成為汽車產業研究的熱點。新能源汽車主要包括純電動、增程式電動、混合動力、燃料電池電動、氫發動機等多種類型，其中燃料電池汽車發展迅速，被認為是新能源汽車發展的重要方向之一。燃料電池發電作為繼火力、水力和核能發電之后的新一代高效連續發電技術，是通過電化學反應將燃料和氧化劑的化學能直接轉變為電能，現已成為新能源汽車技術創新和產業升級的亮點領域。所以研發燃料電池電動汽車，用高新技術改造傳統汽車工業，是實現汽車工業產業升級，實現跨越式發展的重要途徑。
1 車用燃料電池的介紹
1.1 燃料電池的介紹和車用燃料電池發展背景
燃料電池起源于19世紀，是一種將燃料與氧化劑通過電化學反應直接轉換成電能的發電裝置。 燃料電池是大功率、高比功率與高比能量的電池，具有很高的經濟性，20世紀70-80年代，全球能源危機和航天軍備競賽大大推動了燃料電池的發展。20世紀90年代至今，人類日益關注環境保護，燃料電池工作可靠、操作簡單、清潔高效、電化學反應有害產物較少，因此得到長足發展，核心關鍵技術不斷突破，商業化應用前景廣闊，所以燃料電池也被視作最具發展前途的能源動力裝置之一。
隨著全球汽車需求量快速增長，傳統的內燃機汽車所帶來的能源消耗和環境污染問題日益增加，市場中對于汽車輕量化與節能減排等技術的需求難以滿足，目前急需一種清潔能源解決公路交通運輸車輛的污染物的持續排放。車用燃料電池伴隨著質子交換膜燃料電池技術的突破而快速發展起來，同時具有能量轉換率高和綠色無污染的特點，成為新一代電動汽車的研究熱點，各國企業的科研人員都加大了對車用燃料電池的研發。
1.2 車用燃料電池的應用與現狀
燃料電池動力汽車是目前世界各國發展新能源汽車的主要研究方向，從加拿大巴拉德公司成功研制H2/O2質子交換膜燃料電池開始，極大的刺激了各企業對燃料電池的開發和研究。從第一臺巴拉德樣車問世以來，美國、日本、德國等國家相繼推出以燃料電池為動力系統的新能源汽車，2002年底我國也順利完成了第一代城市客車“清能一號”裝車試驗和運行。截至目前，我國新能源汽車的銷量已經穩居全球第一，燃料電池汽車發展前景廣闊。
目前在開發的車用燃料電池多以純氫為燃料，特點主要是電池結構簡單，可直接進料，啟動迅速無需燃料轉化制氫系統，運行時只排出少量潔凈水，真正實現零污染。但隨著燃料電池汽車實用化、商品化進程的加快，氫作為車用燃料電池燃料出現了一些問題：成本較高、基礎設施缺乏、儲氫運氫技術不成熟等。甲醇燃料電池是利用液體燃料甲醇作為車用燃料，其優點在于：一方面避免儲氫運氫的技術難題;另一方面可利用已有的燃料供應管道系統。但是甲醇缺少便利的甲醇銷售供應網絡，同時具有的毒性也會對人體和環境造成損害。除了氫氣和甲醇外，還有一些關于天然氣和汽柴油作為車用燃料電池的研究。天然氣資源豐富，雜質含量低，不含金屬雜質和芳烴。利用汽柴油做燃料的燃料電池也同樣具有吸引力，可利用已有的燃料供應網絡，節省巨額基礎設施建設投資，同時安全性也有了保障。
2 車用燃料電池技術原理和優缺點
2.1 氫能燃料電池
氫能燃料電池是使用化學元素氫作為燃料的清潔電池，基本原理是將氫能注入燃料電池的陽極（即負極），經過鉑等催化劑的作用，在電極上與電解質發生反應失去電子，氫離子穿過質子交換膜到達燃料電池陰極（即正極），電子通過外部電路到達燃料電池正極產生電流。20世紀60年代，氫能燃料電池成功地應用于航天領域，“阿波羅”飛船就利用這一技術。隨著技術的發展，氫能燃料電池被廣泛應用在太空、軍事、發電、交通、運輸等領域。
氫能燃料電池的優點和發展前景都十分可觀。氫能燃料電池反應產物是水，不產生廢氣和其他有害物質，只要不斷地給電池提供氫氣，就可以不斷地提供電能，具有綠色環保、清潔高效、安全無污染、能源消耗低等優點?，F階段氫能源汽車加氫時長與普通燃油加油時間相當，但是氫能源能量密度是汽油、天然氣的三倍以上，具有能量密度大，實際操作性強等優勢，但是氫能電池難以市場化的主要問題集中在安全性、儲存技術以及成本問題上，仍需進一步解決。
2.2 甲醇燃料電池
甲醇燃料電池是一種直接使用甲醇溶液或蒸汽作為燃料的質子交換膜燃料電池。甲醇燃料電池具備低溫快速啟動、燃料潔凈環保以及電池結構簡單等特征，這使得甲醇燃料電池可能在未來在便攜式電子產品的應用中成為主流。甲醇燃料電池的原理是甲醇在陽極轉換成二氧化碳，質子和電子，質子透過質子交換膜在陰極與氧反應，電子通過外電路到達陰極。反應式：
堿性條件：2CH4O+3O2+4OH-=2CO2-3+6H2O
正極：O2+4e-+2H2O→4OH-
負極：CH4O-6e-+8OH-→CO2-3+6H2O 酸性條件：2CH4O +3O2→2CO2+4H2O
正極：O2+4e-+4H+→2H2O
負極：CH4O-6e-+H2O→6H++CO2
Innogy公司首次制得全球首例甲醇燃料電池商用汽車，到2018年中德又制得首款甲醇燃料跑車，甲醇燃料電池不斷在汽車行業快速發展。甲醇燃料電池具有能量轉化效率高，可靠性強，質能比高，清潔，易啟動，無噪音，低輻射，隱蔽性強，模塊化結構，靈活方便，可水、電、熱聯供等優點。但是缺點是催化劑昂貴，活性和穩定性較差，質子交換膜污染率高，性能持久性不強。未來甲醇燃料電池技術研究將主要集中在催化劑和質子交換膜方面。
2.3 生物質燃料電池
生物質燃料電池是以有機物為燃料，以生物催化劑（酶等）進行催化的一種特殊的綠色能源燃料電池。生物質燃料電池主要應用在兩個領域：一是生物學和臨床醫學等方面。生物質燃料電池可以作為植入體內的電源，并把燃料物質轉化為能量，可以給如血管納米機器人、心臟起搏器、人造心臟等提供電能。二是在生物質能的利用方面，生物燃料電池現已廣泛應用于筆記本電腦、手機、數碼產品、生物芯片等產品。
生物燃料電池的燃料來源廣泛，可以利用微生物呼吸的代謝和發酵的產物甚至污水等各種有機物和無機物作為燃料，利用多種多樣的酶或微生物作為催化劑，常溫常壓即可反應，反應條件溫和，易于操作、控制和維護。生物質燃料電池生物相容性好，例如葡萄糖燃料電池可以利用人體血液中的葡萄糖和氧氣作燃料，在未來體內植入人造器官應用中具有潛在的優勢和巨大的市場。
2.4 固體氧化物燃料電池
固體氧化物燃料電池是能夠在中高溫下直接將燃料和氧化劑中的化學能高效轉化為電能的全固態化學發電裝置，被普遍認為是在未來會得到廣泛普及應用的第三代燃料電池。固體氧化物燃料電池工作原理與其他燃料電池相同，主要是由陽極或燃料極、電解質、陰極或空氣極和連接體或雙極板組成。
固體氧化物燃料電池主要應用于發電、交通、航空等領域，可以在大型集中供電等領域作為固定電站，或者作為交通車輛動力、船舶動力的移動電源，應用前景廣闊。固體氧化物燃料電池有很多優點，對燃料的適應性強，能在多種燃料的情況下運行;不需要使用貴金屬催化劑;使用全固態組件，不會有漏液，也不存在腐蝕的管理問題;規模和安裝地點靈活等。但是固態燃料電池操作條件要求較高，操作溫度需要在650-1000℃以上，催化劑成本較高，電池使用壽命有待考證。
3 車用燃料電池核心關鍵技術
3.1 質子交換膜
質子交換膜是為質子的遷移和輸送提供通道，具有阻隔和傳導質子的作用，直接影響著燃料電池的性能和使用壽命。質子交換膜材料應具有電導率高、化學和熱穩定性好、反應氣體的透氣率低、有利于電極反應、價格低廉等特點。
目前工業應用的膜材料主要是全氟磺酸膜、非全氟化質子交換膜、無氟化質子交換膜等。全氟磺酸離子膜是由碳氟主鏈和帶有磺酸基團的醚支鏈構成，具有極高的化學穩定性，是目前應用最廣泛的燃料電池膜材料。全氟磺酸膜的優點是機械強度高、化學穩定性好，在濕度大和低溫的條件下導電率高。但在高溫的條件下全氟磺酸膜導電性變差，并且全氟硫酸膜單體合成困難、成本高。非全氟化質子交換膜是用氟化物與無機或其他非氟化物共混制成的，其優點是硫酸基含量低、工作效率高、電池壽命高、成本較低，工業化推廣性好。無氟化質子交換膜實質上是碳氫聚合物膜，是質子交換膜發展的趨勢，它的主要特點是成本相對于前兩者更低，環保安全，但是對于材料需要較高的化學穩定性，需要進一步的研究。同時新興起的復合膜通過納米級別的調控改變膜的內部結構，在制作流程、成膜性能等方面有更好的變現，但是在膜的綜合性能的研究有待進一步關注。
3.2 反應催化劑
燃料電池反應催化劑是指在電池正負極反應過程中，加快和提高電化學反應速度，縮短反應時間的材料，大多數燃料電池選擇高穩定性、高活性、不易污染的貴金屬鉑作為催化劑?，F用的燃料電池鉑催化劑具有催化效率高、穩定性好等特點，但是鉑是稀有金屬，價格昂貴，推廣性差，成為制約燃料電池發展的瓶頸問題，成為研究的熱點。
針對燃料電池催化劑的研究目前主要集中在以下幾個方面：一是提高催化劑活性和穩定性通過對鉑的結構進行改進，減小催化劑的粒子直徑、使其均一分散來擴大催化面積，還可以通過減小催化劑厚度的方法提高反應性。二是改進鉑材料的利用率，可以通過鉑與其它金屬形成合金來制造催化劑，目前大多采用鉑與釕的合金來解決，或者將鉑的活性組分擔載在載體上，主要以碳載體為主。三是研究鉑以外的新材料，例如氧化鉬、鈷、石墨烯-碘等物質，但是技術尚未成熟，工業化應用前景較低。
3.3 電解質
電解質大多以離子鍵或極性共價鍵結合，是溶于水溶液中或在熔融狀態下就能夠導電的化合物。一般來講，電解質于燃料電池的種類相互對應，燃料電池中電解質在電池工作狀態下，一般不參與電化學反應，只會出現損耗。燃料電池電解質的發展主要經歷堿性型、磷酸型、熔融碳酸鹽型、固體氧化物型等幾個階段。
目前常見的燃料電池的電解質分類主要有以下幾個方面。堿性燃料電池一般采用氫氧化鉀溶液作為電解液，這種電解液效率很高，但對雜質敏感，必須采用純態的氫氣和氧氣，所以限制了其在航天、國際工程等領域中的應用。磷酸燃料電池采用高溫下的磷酸作為電解質，適用于分散式的熱電聯產系統。固體氧化物燃料電池采用固態電解質，性能較好，安全性好，但是工作溫度較高，技術還不成熟。
3.4 雙極板
燃料電池雙極板是電池系統組件的主要組成部分之一，直接影響制約著電池壽命、性能、體積、成本、質量等方面。其作用主要是傳導電子、分配反應氣并帶走生成水，燃料電池雙極板要求具備較好的導電性、導熱性、一定的強度、氣體致密性，具備耐酸耐堿耐腐蝕性、與電解質相容無污染，同時易于加工、成本低廉，以滿足燃料電池的發展。 燃料電池常采用的雙極板材料包括金屬雙極板、石墨碳板、復合雙極板三大類。由于車輛空間限制，薄金屬雙極板成為目前商業雙極板的主要選擇，金屬雙極板的技術難點在于成型技術、表面處理技術。復合雙極板以非貴金屬（如不銹鋼、Ti）為基材、輔以表面處理技術是研究的熱點，篩選導電、耐腐蝕兼容的涂層材料與保證涂層致密、穩定，將成為未來主要發展方向。
4 結論
燃料電池技術的出現和發展，對于緩解環境污染和能源危機都具有十分重大的戰略意義，現階段燃料電池技術的成熟、推廣應用許多需要克服許多技術難題，但對于未來的社會和經濟將起到支撐和保障的作用，燃料電池汽車作為更新一代的汽車發展方向，車用燃料電池也以高的能量轉換效率和環保安全，逐漸成為未來能源的主要發展方向之一。
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