隨著龐青年的水氫發(fā)動(dòng)機(jī)在網(wǎng)上熱炒，整個(gè)社會(huì)對(duì)氫氣和相應(yīng)的氫燃料電池汽車十分關(guān)注，氫能和燃料電池汽車本來是一環(huán)保無污染、效率高的能源利用方向，但經(jīng)過這種炒作和抹黑行為后，相信在一定程度上對(duì)整個(gè)氫能發(fā)展產(chǎn)生了歷史倒退作用。

本篇內(nèi)容主要是總結(jié)分析了車用燃料電池電堆和關(guān)鍵零部件的技術(shù)特點(diǎn)。

1、什么是燃料電池

燃料電池不同于常規(guī)電池，有點(diǎn)類似于內(nèi)燃機(jī)，但又有所不同。

內(nèi)燃機(jī)燒油，是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能在轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，來驅(qū)動(dòng)汽車。

燃料電池是直接將氫燃料和空氣中的氧氣不經(jīng)過燃燒，而是經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)直接由化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，其余一部分通過熱量釋放，不產(chǎn)生任何污染氣體，生成的是水，效率高，可以達(dá)到60%以上。

2、車用燃料電池（PEMFC）關(guān)鍵的零部件

燃料電池有多種技術(shù)路線，早商業(yè)化的是堿性燃料電池，還包括磷酸燃料電池，熔融碳酸鹽燃料電池、固態(tài)氧化物燃料電池。各種燃料電池的特點(diǎn)如下表：   

考慮到PEMFC具有電解質(zhì)無腐蝕性，不需要純氧，工作溫度低、啟動(dòng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，所以車用的燃料電池目前是PEMFC。

對(duì)于PEMFC來講，核心的零部件包括膜電極（催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層）、雙極板、端板、密封件等。

3、雙極板（bipolar plate）

雙極板的作用是連接每一個(gè)電池的陰極和陽極，輸送燃料氫氣和空氣，電流收集和傳導(dǎo)，支撐電堆和MEA，排出反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。排出反應(yīng)中產(chǎn)生的水。

目前雙極板分為石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合雙極板。

石墨板，通過石墨板機(jī)械加工，優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電性高，導(dǎo)熱性好，耐腐蝕性強(qiáng)，缺點(diǎn)是易脆、組裝困難，厚度不易做薄；石墨化時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)械加工難，價(jià)格昂貴。

石墨板是將碳粉或石墨粉與可石墨化的樹脂相混合，機(jī)壓成型后，在高溫下進(jìn)行石墨化，然后將石墨板進(jìn)行浸漬封孔，在用數(shù)控機(jī)床加工出氣體流道。

高溫石墨化處理和氣體流道的機(jī)械加工是造成雙極板價(jià)格昂貴的主要原因。

除機(jī)械加工外，大規(guī)模生產(chǎn)可采用模壓，模壓模具成本高，所以多用于大規(guī)模生產(chǎn)。

石墨雙極板具有明顯的缺點(diǎn)：

• 石墨板的石墨化溫度較高，不低于2500攝氏度，需要按照嚴(yán)格的升溫程序，所以耗時(shí)較長(zhǎng)；

• 機(jī)械加工過程緩慢，周期較長(zhǎng)，對(duì)機(jī)械的精度要求高，造成石墨板的成本較高

• 石墨易碎，所以組裝困難

• 石墨是多孔材料，所以需要較大的厚度才能把反應(yīng)氣體分離開來

金屬雙極板，通過不銹鋼、鈦合金、鋁合金等沖壓成形，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，機(jī)械強(qiáng)度高，高阻氣性，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。缺點(diǎn)是易腐蝕，需要表面涂層。金屬雙極板是車用燃料電池小型化為關(guān)注的關(guān)鍵部件。金屬雙極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)、成形，表面涂層技術(shù)使金屬雙極板研究的重要方向。

金屬雙極板要解決的兩個(gè)難題：1）防止在富氧環(huán)境下，金屬表面發(fā)生鈍化導(dǎo)致接觸電阻增加；2）防止在工作范圍內(nèi)，酸性條件下雙極板表面腐蝕現(xiàn)象。

金屬雙極板采用沖壓-焊接-涂層-密封測(cè)試等步驟。未來要做到金屬雙極板50塊錢/片，反應(yīng)面積300平方毫米/片，一個(gè)電堆300片，功率在80-120kW，成本在1.5萬元/堆。

4、膜電極

目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，國(guó)外可以做到每平方厘米1-1.5W的功率密度，額定電流密度達(dá)到1.5-2./平方厘米，鉑載量在0.2-0.3mg/平方厘米。操作溫度可以達(dá)到85-90攝氏度，操作濕度可以保證陰陽極不增濕。

膜電極發(fā)展難點(diǎn)：

1）在低鉑載量、大電流操作條件下陰極氧傳輸極化

2）膜電極性能高度一致性

3）優(yōu)化水管理，實(shí)現(xiàn)膜電極內(nèi)部水循環(huán)，適應(yīng)無增濕條件下運(yùn)行

4）實(shí)現(xiàn)抗反極、冷啟動(dòng)等特性。

5、催化劑的研究進(jìn)展及難點(diǎn)

目前國(guó)外催化劑體系采用鉑的合金，載體體系采用改性炭黑，實(shí)心碳球，高分子材料，催化劑的耐久度達(dá)到了5000小時(shí)以上，催化劑載體的耐久度達(dá)到了5000小時(shí)以上，實(shí)現(xiàn)了公斤級(jí)別的制備工藝。 

催化劑未來需要實(shí)現(xiàn)開發(fā)適用于工業(yè)生產(chǎn)的合金催化劑體系，實(shí)現(xiàn)公斤級(jí)催化劑生產(chǎn)工藝，提高合金催化劑的穩(wěn)定性，解決過渡金屬離子對(duì)質(zhì)子膜的污染問題。提高合金催化劑質(zhì)量比活性的同時(shí)需保證較高的化學(xué)比表面。開發(fā)耐腐蝕的催化劑載體。優(yōu)化載體微結(jié)構(gòu)，提高催化劑利用率。

6、質(zhì)子交換膜技術(shù)進(jìn)展及難度

目前國(guó)外質(zhì)子交換膜能夠做到小于10微米的厚度，化學(xué)穩(wěn)定性大于5000小時(shí)，機(jī)械穩(wěn)定性大于5000小時(shí)，高操作溫度95攝氏度，一致性好。

未來需要開發(fā)更薄更穩(wěn)定的質(zhì)子交換膜。

提高質(zhì)子交換膜的操作溫度。

開發(fā)新的單體體系，提高導(dǎo)電率。

7、氣體擴(kuò)散層

目前氣體擴(kuò)散層厚度可以做到100-150微米，實(shí)現(xiàn)卷對(duì)卷涂布。

8、MEA制造技術(shù)進(jìn)展

MEA制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了三代

代制造技術(shù)GDE，是催化劑涂布在GDL上，然后與質(zhì)子交換膜熱壓成形。

第二代技術(shù)是CCM，是90年代初實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)印（decal）方法，將催化劑涂層涂布在離型基材上，然后與質(zhì)子交換膜熱壓，將催化劑層轉(zhuǎn)印到質(zhì)子膜上。催化劑噴涂到質(zhì)子交換膜上，非連續(xù)化，將催化劑涂布到質(zhì)子交換膜上，卷對(duì)卷方式，單面涂布。

第三代技術(shù)是有序化膜電極，是3M開發(fā)，現(xiàn)在放棄了。

攻關(guān)難點(diǎn)是開發(fā)成熟的膜電極涂布設(shè)備、開發(fā)膜電極涂布在線質(zhì)量控制系統(tǒng)、開發(fā)膜電極涂布漿料、制備工藝。

9、MEA封裝技術(shù)及難點(diǎn)

進(jìn)展，巴拉德是將電堆密封圈以液體注塑成型的方式密封到MEA四周，實(shí)現(xiàn)邊框、密封線

豐田是將膜電極封裝到極板上，實(shí)現(xiàn)膜電極、極板一體化

攻關(guān)難點(diǎn)，需要開發(fā)全自動(dòng)封裝設(shè)備，開發(fā)邊框、密封線一體化封裝方式。