【干货】氢燃料电池关键零部件开揭示状

争祖先类建树在以破费煤炭、干货煤油、氢燃做作气为主的料电不可再沉闷力根基之上的经济睁开方式，导致了日益突出的池关情景传染以及温室效应下场。为实现人类社会可不断睁开，键零建树人与做作的部件调以及关连，睁开风能、开揭水能、示状太阳能、干货生物资能、氢燃地热能、料电陆地能等绿色能源，池关成为天如下国高度关注的键零课题。氢燃料电池是部件实现氢能转换为电能运用的关键载体，在碳中以及、开揭碳达峰目的提出后，取患了根基钻研与财富运用层面新的高度关注。

氢燃料电池是把氢气的化学能经由电化学反映直接转化为电能的发电装置。单体电池由正负两个电极（氢燃料电极、氧化剂电极）以及电解质组成。电解质隔膜双侧分说爆发氢氧化反映与氧化复原反映，电子经由外电路做功，发生电能。惟独有氢燃料以及氧化剂（纯氧或者空气）不断输入，燃料电池就能源源不断地发生电能。这样的使命特色抉择了氢燃料电池兼具艰深化学电池以及内燃机的特色，具备能量转化功能高、有情景传染物排放等专短处。

氢燃料电池与罕有的锂电池差距，零星加倍重大，主要由电堆以及零星部件（空压机、增湿器、氢循环泵、氢瓶）组成。电堆是全部电池零星的中间，搜罗由膜电极、双极板组成的各电池单元以及集流板、端板、密封圈等。膜电极的关键质料是质子交流膜、催化剂、气体散漫层，这些部件及质料的持久性（与其余功能）抉择了电堆的运用寿命以及工况顺应性。近些年来，氢燃料电池技术钻研会集在电堆、 双极板、操作技术等方面，氢燃料电池技术系统及部份相关前沿钻研如图所示。

氢燃料电池技术系统

差距材质、差距妄想的零部件具备差距较大的使命特色，它们对于氢燃料电池的输入特色、使命寿命有着抉择性的影响。

膜电极

在氢燃料电池零星中，膜电极（MEA）是中间组件，个别由阴极散漫层、阴极催化剂层、电解质膜、 阳极催化剂层以及阳极气散漫层组成，直接抉择了氢燃料电池的功率密度、持久性以及运用寿命。凭证MEA内电解质的差距，罕用的氢燃料电池分为：

碱性燃料电池（AFC）；

熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）；

磷酸燃料电池（PAFC）；

固体氧化物燃料电池（SOFC）；

质子交流膜燃料电池（PEMFC）；

各规范燃料电池具备响应的燃料种类、品质比功率以及 面积比功率功能，其中质子交流膜燃料电池以启动光阴短（~1min）、操作温度低（<100 ℃）、妄想松散、功率密度低等成为钻研热门以及氢燃料电池汽车迈入商业化历程的首选。MEA装置工艺有热压法（PTFE法）、梯度法、CCM（catalyst coated-membrane）以及有序化措施等。热压法是第一代技术；当初普遍运用的是第二代的CCM措施，搜罗转印、喷涂、电化学聚积、干粉喷射等，具备高铂运用率以及持久性的短处；有序化措施可能使MEA具备最大反映活性面积及孔隙连通性，以此实现更高的催化剂运用率，是新一代MEA制备技术的前沿倾向。

质子交流膜

质子交流膜主要用来传递质子（氢离子）及阻止燃料、氧化剂，因此质子交流膜需要具备精采的质子传导率、化学晃动性、机械晃动性，以是事实的膜质料是那些展现出高离子电导率，同时防止电子传输与氢气以及氧气的交织的膜质料。

国内外所运用质子交流膜规范搜罗全氟磺酸型PEM、部份氟化磺酸型PEM、新型非氟聚合物PEM等规范，全氟磺酸型PEM具备极高的化学晃动性，当初运用最普遍。如丰田Mirai 、本田Clarity、今世NEXO以及国内新源均接管戈尔机械增强复合膜，主要成份为ePTFE( 增强缩短聚四氟乙烯)+新型氟化离子聚合物。当初氢燃料电池质子交流膜根基由外洋操作以及操作，国内企业或者钻研单元尚处于钻研攻关阶段。

质子交流膜规范及优缺陷

双极板

氢燃料电池中的双极板（BPs）又称流场板， 起到并吞反映气体、除了热、倾轧化学反映产物（水）的熏染；需知足电导率高、导热性以及善体致密性好、机械以及耐侵蚀功能优异等要求。双极板是氢燃料电池体积以及品质密度的选摘因素，也是影响制组老本的严主因素。之后处于市面上的主要有无孔石墨双极板、金属双极板、复合质料双极板等多少种规范，石墨双极板导电性好，但脆性浩劫以大批量破费以及临时运用，金属双极板强度高、韧性好、导电导热性好，但在PEMFC使命情景下易被侵蚀，复合质料双极板散漫了石墨板以及金属板的短处，具备耐侵蚀、体积小、品质轻、强度低等短处，已经睁开成为主流技术。

市面上罕有双极板规范

外洋丰田Mirai、本田Clarity运用钛金属双极板，经由接管优化流体通道、后退气体散漫性等措施后退功率密度，当初已经抵达3.1kW/L。国内北京氢璞、上海神力等公司已经开拓出金属板氢燃料电池，功率密度逾越2kW/L。

催化剂

催化剂是减速氢燃料电池电化学反映的物资，它能经由飞腾活化能、后退反映速率。国内外常运用过渡金属元素与铂合金物两两组合来增强催化剂晃动性、耐腐性，如Pt-Co/C、Pt-Ni/C。氢燃料电池最罕有的催化剂是铂合金、纳米妄想薄膜合金、石墨化催化剂等，由于受到催化剂根基质料技术、制备工艺等限度，日本先历水平质子交流膜氢燃料电池的铂载量仅为国内的1/3~1/4，国内氢燃料电池电堆铂载量约1g/kW，而丰田Mirai所搭载的氢燃料电池仅为0.30g/kW。这匆匆使了国产电堆老本较高，因此国内针对于氢燃料电池催化剂的钻研重点放在了若何飞腾铂载量上。

空压机

燃料电池个别需要精采的空气提供能耐发挥熏染，空气缩短机用于将空气推入燃料电池堆。燃料电池从进入的空气中提取氧气，以在阴极妨碍反映。外洋对于氢燃料电池专用空压机的开拓及运用比国内成熟。氢燃料电池零星所运用的空压机妄想较多，有涡轮式空压机、离心式缩短机、螺杆式空压机等规范。详细的运用有DOE公司与Author. Little相助妄想运用于50kW的涡轮式空压机、戴姆勒公司运用于梅赛德斯奔流A级氢燃料电池的螺杆式空压机、 同济大学钻研的运用 65kW氢燃料电池零星的离心式缩短机。螺杆式空压机品质与噪声较大；涡轮式空压机功能、密度不迭于离心式，由此离心式空压机在密度、功能、噪声等方面具备最佳的综合下场，是尔后最主流的睁开倾向。

储氢罐

当初对于纯氢的贮存措施主要有低压氢气贮存、液态氢气贮存、活性炭吸附氢气、金属储氢以及碳纳米质料储氢等。车辆储氢主要抉择低压氢气贮存措施，因此清静且量大的储氢罐就显患上尤为紧张。车载氢气瓶的主要规范有金属型气瓶、金属内胆环向环抱瓜葛气瓶、金属内胆通环抱瓜葛气瓶、塑料内胆通环抱瓜葛气瓶等。金属型气瓶由于自己物理特色储氢压力较低、品质较大，国内早期运用其存储35MPa的低压氢气。为了改善其缺陷，金属内胆环向环抱瓜葛气瓶、金属内胆通环抱瓜葛气瓶、塑料内胆通环抱瓜葛气瓶等规范逐渐发生，储氢压力提升到70MPa。 

好比丰田第三代MIRAI氢燃料电池汽车搭载的70 MPa的储氢罐，接管三层妄想，内层是密封氢气的树脂衬里；中层是确保耐压强度的碳纤维强化树脂层；表层是呵护概况的玻璃纤维强化树脂层。接管了特殊的环抱瓜葛工艺、措施实现储氢罐的强化与轻量化，如对于含浸了树脂的碳纤施加张力使之卷起层叠的纤维环抱瓜葛工艺；环向环抱瓜葛、高角度螺旋环抱瓜葛以及低角度螺旋环抱瓜葛措施分说强化了储氢罐筒部、边缘以及底部，使患上品质功能比原本后退了20%，抵达了全天下最高水平的5.7%。

近些年来，我国的氢燃料电池技术根基钻研较为沉闷，在一些技术倾向具备了与发达国家“比肩” 的条件；但部份来看，所把握的中间技术水平、综合技术系统尚不迭具备争先位置的国家。之后，我国提出了将于 2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中以及的睁开愿景。自动睁开氢能，向导高碳排放制氢工艺向绿色制氢工艺转变，是能源刷新睁开，实现碳达峰、碳中以及的紧张措施。

钻研表明，氢能及氢燃料电池技术有望大规模运用在汽车、便携式发电以及牢靠发电站等规模，氢能将是我国能源规模的策略性新兴财富，氢燃料电池技术也将是实现氢能运用的先决条件。未来，氢燃料电池将在电池寿命以及密度、冷启动功能、燃料存储配置装备部署以及薄膜质料、运用规模将患上到更进一步的后退。

参考文献

[1]刘应都,郭彤霞,欧阳晓平.氢燃料电池技术开揭示状及未来展望[J].中国工程迷信,2021,23(04):162-171.

[2]傅家豪,邹佩佩,余忠伟,高新梅.氢燃料电池关键零部件现状钻研[J].汽车零部件,2020(12):102-105.DOI:10.19466/j.cnki.1674-1986.2020.12.024.

文章源头：中国知网、全天下氢能

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