燃料電池作為下一代清潔能源，在新能源汽車領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，本文對(duì)燃料電池關(guān)鍵材料工程化現(xiàn)狀進(jìn)行研究，并對(duì)燃料電池工程化中目前存在的問題進(jìn)行詳細(xì)分析并提出未來可能的解決路線。

　　1 燃料電池—清潔型動(dòng)力電池的首選

　　燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽饕譃閴A性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)5類。燃料電池不受卡諾循環(huán)的限制，具有較高的熱效率，是目前最有發(fā)展前途的電能轉(zhuǎn)化方式[3]。由于鋰電池的生產(chǎn)和回收存在污染，如鋰電池的正極材料會(huì)造成重金屬污染，電解液具有腐蝕性和化學(xué)毒性，都會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。另外鋰電池續(xù)航里程存在技術(shù)瓶頸。氫燃料電池理論上排放出的是水，尾氣沒有污染，具有零排放、零污染的特性，從而使得以氫為燃料的PEMFC成為電池汽車領(lǐng)域的首選。PEMFC，其結(jié)構(gòu)包括膜電極、雙極板和外殼，膜電極又由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層三合一而成[1，2]。其工作機(jī)理為陽極的氫氣和陰極的氧氣分別進(jìn)入反應(yīng)室2側(cè)，經(jīng)氣體擴(kuò)散層傳遞至催化劑層表面，被催化劑分解為氫離子、電子和氧離子，氫離子與水結(jié)合形成水合氫離子穿過質(zhì)子交換膜并與陰極側(cè)的氧離子復(fù)合形成水，電子通過外電路從陽極到達(dá)陰極從而使外部負(fù)載進(jìn)行工作。在此過程中，膜電極的作用至關(guān)重要，因此又被稱為燃料電池的“心臟”[3，4]。

　　2 發(fā)展燃料電池是實(shí)現(xiàn)彎道超車的有效途徑

　　由于環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐漸提高，節(jié)能減排作為當(dāng)前社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要目標(biāo)在全世界已經(jīng)具有廣泛的共識(shí)。工業(yè)和信息化部在2017年發(fā)布了燃油車退出時(shí)間表，明確了2035年禁售燃油車的紅線。從技術(shù)方面看，燃料電池具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，作為下一代可移動(dòng)式能源具有天然的優(yōu)勢，不同于鋰離子電池，燃料電池不存在里程焦慮和充電時(shí)間的問題，被譽(yù)為清潔能源的終極解決方案;從經(jīng)濟(jì)角度看，氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈從制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、加氫到燃料電池零件的生產(chǎn)、裝配再到整車的安裝調(diào)試，由上至下的產(chǎn)業(yè)鏈極為龐大，甚至可以推動(dòng)國家經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，徹底由中國制造變?yōu)橹袊鴦?chuàng)造，而且國內(nèi)在氫燃料電池產(chǎn)業(yè)具有2大優(yōu)勢：①制氫行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施完善，上游資源極為豐富[5];②下游市場需求龐大。這2個(gè)優(yōu)勢也是燃料電池產(chǎn)業(yè)化的重要推手。從環(huán)境保護(hù)角度看，化石能源燃燒后產(chǎn)生大量的尾氣，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，鋰電池雖然使用較為環(huán)保，但其生產(chǎn)過程污染嚴(yán)重，其使用對(duì)電力系統(tǒng)也是一個(gè)巨大的負(fù)擔(dān)，而氫能和燃料電池的生產(chǎn)相對(duì)環(huán)保，使用也僅排出水，對(duì)環(huán)境的親和力極為優(yōu)秀;從政策角度看，西方國家一直把持著汽車產(chǎn)業(yè)特別是內(nèi)燃機(jī)的核心技術(shù)，而在燃料電池方向國內(nèi)外技術(shù)水平比較接近，尤其在產(chǎn)業(yè)化方面國內(nèi)和日本、歐美等國家均處在起步階段，這為我國在汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車提供了最佳時(shí)機(jī)。國內(nèi)要突破西方國家在汽車領(lǐng)域的壟斷，想要彎道超車，就必須從燃料電池上著手。本文主要針對(duì)PEMFC的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行詳細(xì)分析。

　　3 燃料電池關(guān)鍵材料及工程化現(xiàn)狀

　　3.1 質(zhì)子交換膜

　　質(zhì)子交換膜在燃料電池中起到隔絕正負(fù)極和傳導(dǎo)氫離子的作用，需要具有以下條件：①良好的質(zhì)子電導(dǎo)率;②水分子在膜中的電滲透作用小;③氣體透過率低;④電化學(xué)穩(wěn)定性好;⑤干濕轉(zhuǎn)換性能好;⑥具有一定的機(jī)械強(qiáng)度;⑦可加工性好，價(jià)格適中。

　　質(zhì)子交換膜主要生產(chǎn)廠家及特點(diǎn)如表1所示。①長支鏈全氟磺酸膜，以美國杜邦(Dupont)公司的Nafion系列為代表，包括日本旭化成公司的Aliciplex、日本旭硝子公司的Flemion、日本氯工程公司的C系列、國內(nèi)山東東岳集團(tuán)(以下簡稱“東岳”)的DF系列膜等，是目前市場接受度和應(yīng)用度最廣的質(zhì)子交換膜;②短支鏈全氟磺酸膜，代表型產(chǎn)品為蘇威集團(tuán)(Solvay)的Hyflon和陶氏化學(xué)的XUS-B204膜，其主要特點(diǎn)是具有更高的結(jié)晶度和玻璃化溫度，適宜更高溫度的燃料電池，以提高催化劑活性和抗一氧化碳(CO)中毒的問題[6]，但目前的制備過程較為復(fù)雜，尚未完全實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[7];③復(fù)合膜，以美國戈?duì)?Groe)公司的Gore-select和美國3M公司的PAIF系列為主，通過聚四氟乙烯和雜多酸進(jìn)行雜化，降低氟化程度和對(duì)水分的依賴性[8-10]，在移動(dòng)電源和低水環(huán)境應(yīng)用具有較好的性能。

　　國外質(zhì)子交換膜產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而國內(nèi)才剛剛起步，在核心技術(shù)上落后較多，最優(yōu)質(zhì)的質(zhì)子交換膜被美國杜邦公司和蘇威集團(tuán)等國外公司長期壟斷，在通用、現(xiàn)代等汽車廠商占據(jù)了絕大部分市場份額，日本系質(zhì)子交換膜主要自給自足，供應(yīng)豐田、本田等汽車生產(chǎn)廠商，國內(nèi)水平最高的東岳2003年進(jìn)入質(zhì)子交換膜領(lǐng)域，在動(dòng)力電池的工程化應(yīng)用方向已經(jīng)初見成效，已經(jīng)進(jìn)入奔馳的供應(yīng)鏈。而且東岳的二代質(zhì)子交換膜規(guī)劃產(chǎn)能20萬m2，至少可滿足每年20 000輛車的需求。

　　3.2 催化劑

　　燃料電池的催化劑層分為陽極的氫催化劑與陰極的氧催化劑，其主要作用是催化分解陰陽極的氣體，需要具備以下條件：①優(yōu)異的氫/氧催化性能;②極高的比表面積;③較好的化學(xué)穩(wěn)定性;④可加工性能好，價(jià)格適中。主要的催化劑生產(chǎn)廠商如表2所示。從表2可知，主要企業(yè)有莊信萬豐催化劑公司(Johnson Matthey Catalysts)、比利時(shí)優(yōu)美科公司(Umicore)、日本Tanaka公司和日清坊株式會(huì)社，目前鉑載量最低的是日本的Tanaka，主要供應(yīng)本田Clarity系列;日清坊株式會(huì)社主要供應(yīng)巴拉德的燃料電池系統(tǒng)，其核心技術(shù)為碳基合金代替鉑;Johnson Matthery的HiSPEC系列催化劑主要為鉑及鉑釕合金類，純鉑催化劑用于氫燃料電池，其3種型號(hào)的產(chǎn)品鉑負(fù)載量為40%，57%和72%，合金類用于甲醇燃料電池，是目前全球最大和最專業(yè)的催化劑生產(chǎn)廠家[11]，此外還有美國Gore和3M公司，但其業(yè)務(wù)重點(diǎn)在膜電極方向，催化劑業(yè)務(wù)比重較小。國內(nèi)主要廠家有貴研鉑業(yè)、武漢喜馬拉雅光電科技股份有限公司、南京東焱氫能源科技有限公司。貴研鉑業(yè)仍處于實(shí)驗(yàn)室放大階段，尚未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)[12];武漢喜馬拉雅光電科技股份有限公司已初步實(shí)現(xiàn)Pt/C催化劑的產(chǎn)業(yè)化，目前產(chǎn)能1 200g/天[13]，其主要生產(chǎn)鉑含量40%～70%的類型。

　　目前已產(chǎn)業(yè)化的催化劑特征主要為減少鉑擔(dān)載量以降低生產(chǎn)成本，國外的生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)達(dá)到0.06g/kW，但國內(nèi)的最高標(biāo)準(zhǔn)仍然在0.3g/kW左右。以豐田的燃料汽車為例，平均每輛車用量約為15g，而大客車用量則在150g左右，國內(nèi)整車鉑的用量則是國外的4～5倍，成本仍然居高不下，針對(duì)鉑的負(fù)載技術(shù)仍然需要進(jìn)一步深入研究和探索。

　　3.3 氣體擴(kuò)散層

　　氣體擴(kuò)散層的主要作用有3個(gè)，一是作為燃料氣進(jìn)入催化層之前的緩沖和擴(kuò)散層，二是為電子和反應(yīng)生成的水提供傳輸通道，三是作為膜電極的支撐骨架為質(zhì)子交換膜和催化劑提供物理支撐。其性能特點(diǎn)如下：①較高的孔隙率;②優(yōu)異的導(dǎo)電性;③良好的疏水性能;④一定的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性;⑤優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性;⑥良好的熱傳導(dǎo)能力。

　　氣體擴(kuò)散層使用材料為碳纖維紙、碳纖維編織布和炭黑紙，市面上大部分產(chǎn)品為碳紙類，以加拿大巴拉德能源系統(tǒng)公司(Ballard)、日本東麗集團(tuán)(Toray)、德國西格里(SGL)集團(tuán)和臺(tái)灣碳能科技公司4家為代表(表3)。這4家的技術(shù)都是以日本的碳纖維作為基材制備碳紙，其中Toray的性能最好，但其脆性較大，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，因此其價(jià)格相對(duì)較高;Ballard的產(chǎn)品大多為自用;臺(tái)灣碳能科技公司的碳紙是燃料電池膜電極專用碳紙，其價(jià)格最低，但性能也相對(duì)較差。其他企業(yè)如德國科德寶公司(Freudenberg)、美國工程纖維公司(EFT)公司都有一定的生產(chǎn)能力。值得一提的是中南大學(xué)所研發(fā)的碳紙性能已經(jīng)超越日本東麗集團(tuán)，但由于國內(nèi)整個(gè)行業(yè)尚處于萌芽階段，加上使用的技術(shù)路線生產(chǎn)成本較高，目前尚未進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。武漢理工新能源有限公司通過對(duì)碳紙進(jìn)行改性作為氣體擴(kuò)散層，并基于CCM技術(shù)，將質(zhì)子交換膜、催化劑層、氣體擴(kuò)散層復(fù)合，在2018年建成一條自動(dòng)化質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極生產(chǎn)線，產(chǎn)能達(dá)到20 000m2/a。其產(chǎn)品通過了ISO9001質(zhì)量認(rèn)證，已向北美及國內(nèi)市場銷售。

　　在氣體擴(kuò)散層領(lǐng)域的工程化和商業(yè)化進(jìn)程中，制約其發(fā)展的已經(jīng)不再是核心技術(shù)，而是其生產(chǎn)的一致性和成本。在碳紙的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，國外大部分企業(yè)已經(jīng)完成了自動(dòng)化，進(jìn)一步降低成本僅需要從生產(chǎn)規(guī)模著手，但國內(nèi)特別是大陸，還沒有企業(yè)能夠進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，僅僅在實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域有所建樹。

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