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技術國際論壇》。中國汽研將持續(xù)為大家推送精彩演講實錄，本文為中科院大連化學物理研究所侯明博士帶來的《車用燃料電池電池堆及關鍵材料進展》。

1 背景

能源環(huán)境方面，2019年全球碳排放達368億噸，交通行業(yè)所產生的二氧化碳排放量約占23%，中國是碳排放大戶。溫室效應的背景下，2016年175個國家簽署《巴黎協(xié)定》，主要目標是將本世紀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，在取得成功的基礎上，統(tǒng)籌研究制定燃油汽車退出時間表。2020年3月，海南出臺了《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國家和地區(qū)出臺了禁售燃油車的時間表，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年實現(xiàn)燃油車的全面禁售。

2020年9月22日，習主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上發(fā)表重要講話：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”。

氫作為溝通交通、發(fā)電和儲能三大領域的關鍵能源氣體，是實現(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，預計2030年市場價值超萬億。燃料電池是氫能的理想轉化裝置，應用非常廣泛，氫能和燃料電池是能源轉化利用清潔化、高效化的關鍵，是連接化石能源和可再生能源的橋梁。

2 車用燃料電池關鍵技術

燃料電池汽車的技術構架分為：燃料電池整車（整車設計、裝配）；燃料電池動力系統(tǒng)（DC/DC，電機、電控）；燃料電池系統(tǒng)（空氣，氫氣供應，水熱管理，控制）；燃料電池電堆（催化劑，膜，膜電極，雙極板）。

車用燃料電池關鍵技術包括：關鍵材料（電解質膜，電催化劑，擴散層）；關鍵部件（膜電極MEA，雙極板、端板，密封元件）；電堆（數(shù)百個單池，一致性，組裝工藝）；系統(tǒng)（反應物供應，水熱管理，自動控制）。

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，相當于汽車尾氣凈化器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，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通過其電子效應和幾何效應提高活性與穩(wěn)定性，現(xiàn)在Pt3Co/C已有商業(yè)化產品，但需要解決酸性環(huán)境下過渡金屬溶解的問題。

相關合金催化劑的研究，比如PtCu催化劑，其質量比活性分別達到Pt/C的3.8倍；鉑鎳納米線催化劑的質量與面積比活性分別達到Pt/C的2.5和3.3倍；三維石墨烯復合載體催化劑，當rGO：FCB質量比為1:2時，催化劑質量活性為商業(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展，由于活性低于Pt基催化劑，穩(wěn)定性差，尚未獲得實際應用；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，目前Fe/N/CF催化劑活性已經達到應用水平，但穩(wěn)定性還需進一步考察，F(xiàn)e/N/CF催化劑是目前最有希望得到應用的。

催化劑評價參數(shù)與評價方法見下表：

2.2 質子交換膜

質子交換膜的作用是固態(tài)電解質，傳導質子，分隔兩極，具有良好的離子傳導率、化學穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性，目前常用的是長側鏈全氟磺酸膜化學結構式，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，質子傳導高，電池性能上升；但膜減薄，機械性能下降，氣體滲透率增大，化學穩(wěn)定性差，存在熱、機械、化學衰減問題。因此膜的發(fā)展方向為復合膜，復合膜替代均質膜，可提高耐久性，目前最常用的是物理復合的多孔膜，除了增強機械性能以外，還需增強化學穩(wěn)定性，比如添加自由基淬滅劑CeO2可提高膜的化學穩(wěn)定性。增強復合膜性能見下表：

高性能超薄增強復合膜，Gore采用獨創(chuàng)ePTFE創(chuàng)新技術，實現(xiàn)質子交換膜7.5um的超薄厚度，在提升性能的同時控制成本，優(yōu)化生產工藝達到規(guī)?；a，加速試驗表明，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復合膜，研究表明，使用靜電紡絲技術制備PEM時，磺酸基團可以沿著納米纖維排列形成連續(xù)的離子傳輸通道，促進質子傳遞，增大膜的質子傳導率；多功能復合膜，采用蒸氣誘導相轉變法制備多孔SPEEK基膜，SPEEK/PFSA復合膜強度提高的同時，強化了質子傳導，SPEEK/CeO2/PFSAZSM-5原位淬滅自由基，提高穩(wěn)定性。

質子交換膜評價參數(shù)見下表：

2.3氣體擴散層（GDL）

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

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

碳紙評價參數(shù)見下表：

2.4膜電極（MEA）

催化劑、膜、擴散層組成膜電極（MEA），存在的問題是催化劑利用率低；催化層結構無序；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，催化劑與電解質共紡；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|，提高了大電流密度區(qū)的性能；Pt-M合金的電子效應，提高了催化劑穩(wěn)定性。同時實現(xiàn)低Pt用量。

MEA批量生產技術，目前國際流行的發(fā)展卷對卷涂布量產技術，降低制造成本，滿足產能需求。大連化物所張家港產研院中試產線膜電極涂布車間，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，并實現(xiàn)催化層厚度及一致性、涂布缺陷檢測等在線產品質量監(jiān)控，可年產8-10萬平方米性能優(yōu)異、耐久性強的膜電極CCM產品。

MEA評價參數(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：

薄金屬沖壓雙極板是目前車用燃料電池常用類型，因其體積、功率、密度可以達到很高，關鍵技術包括表面處理、流場設計、成型技術、焊接技術、密封技術等。

非貴金屬/導電/耐腐蝕表面處理技術，由于燃料電池的腐蝕環(huán)境所以要進行表面處理，表面處理層需要采用導電耐腐蝕兼?zhèn)涞耐繉?，現(xiàn)在研制的多層復合涂層技術已經達到了美國DOE的產品目標要求。

微流場設計與優(yōu)化技術，3D流場設計與傳輸增強機理，有效降低傳質極化；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，針對燃料電池極板成形結構密集特征尺寸特點，建立薄板材料的微沖壓成形本構關系；基于有限元方法，模擬雙極板成形工藝，滿足精密尺寸精度、無殘余應力的要求。殘余應力使晶格變化，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，導致腐蝕傾向增加。

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

雙極板評價參數(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，反應物并聯(lián)，電串聯(lián)，起到“質：傳輸反應物-電：傳導電、質子-熱：傳遞反應熱”多相傳遞的作用。

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

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

電堆生產線，明天氫能建設了首個萬套級電堆生產線，有八條自動化生產線：自動化雙極板沖壓；全自動雙極板焊接線；MEA生產線；智能電堆組裝線；電堆活化&測試線；MEA測試線；全自動化燃料電池系統(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

促進現(xiàn)有國內核心材料研發(fā)成果的轉化與應用，實現(xiàn)產品可控供應；重視核心材料批量生產工藝與裝備的研究，建設關鍵材料產業(yè)化基地；加速現(xiàn)代化的設計與檢測平臺建設，促進產品技術水平的提升；完善標準規(guī)范體系，指導燃料電池示范與運營；重視前沿技術布局，滿足未來技術體系更新提升的需求（高溫質子交換膜、非Pt催化劑、堿性聚合物膜）。

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