新能源汽車(chē)電池瓶頸突破？質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)逐漸成熟！

在國(guó)家政府的大力號(hào)召和政策補(bǔ)貼之下，新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)成為新能源汽車(chē)銷(xiāo)量第一大國(guó)。但隨著新能源汽車(chē)市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，一些問(wèn)題隨之產(chǎn)生：鋰資源面臨枯竭、能量密度提升遭遇瓶頸、電池安全問(wèn)題頻發(fā)等等。而這些問(wèn)題的根本，則是新能源汽車(chē)電池瓶頸帶來(lái)的發(fā)展阻礙。據(jù)金智創(chuàng)新一線(xiàn)專(zhuān)家得知，為了解決這一問(wèn)題，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)技術(shù)研發(fā)逐漸成熟。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種可直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，燃料電池技術(shù)被認(rèn)為是本世紀(jì)的新型綠色能源技術(shù)，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、零污染、低溫下快速啟動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，在便攜式移動(dòng)電源和新能源汽車(chē)中具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

質(zhì)子交換膜作為燃料電池的核心部件要求性能極高

燃料電池是把燃料中的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換為電能的高效發(fā)電裝置。常用的燃料電池按其電解質(zhì)不同，可以分為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、堿性燃料電池(AFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)等。其中質(zhì)子交換膜燃料電池工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、制造成本較低、應(yīng)用范圍廣、啟動(dòng)速度快，是一種高效與環(huán)保兼?zhèn)涞陌l(fā)電裝置，目前燃料電池汽車(chē)也主要使用質(zhì)子交換膜燃料電池。

質(zhì)子交換膜燃料電池是低溫型燃料電池，主要組成部分包括催化劑、質(zhì)子交換膜、電極、雙極板。電解質(zhì)是全氟磺酸型固體聚合物，催化劑一般使用金屬鉑和鉑碳顆粒，雙極板一般使用石墨。質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電時(shí)，質(zhì)子交換膜作為傳遞氫離子的介質(zhì)，只允許氫離子通過(guò)，工作時(shí)相當(dāng)于一個(gè)直流電源，陽(yáng)極即電源負(fù)極，陰極即電源正極，燃料可以是氫氣、甲醇、乙醇、甲烷等，其中氫氣和甲醇使用較多。

我國(guó)質(zhì)子交換膜燃料電池起步較晚，但后勁十足

我國(guó)對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的研究還處于前期階段，而國(guó)外燃料電池行業(yè)因?yàn)椴季州^早，現(xiàn)在取得了不俗的成果。如豐田、梅賽德斯奔馳、本田、通用、現(xiàn)代都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子交換膜燃料電池的批量化生產(chǎn)，并制定了各自商用化時(shí)間表，日本豐田汽車(chē)于2014年12月商業(yè)化燃料電池汽車(chē)Mirai;韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)已于2013量產(chǎn)了燃料電池汽車(chē)ix35;日本本田汽車(chē)于2015年11月首次推出了旗下首款氫氧燃料汽車(chē)Clarity，除此之外，國(guó)外其他大型汽車(chē)廠(chǎng)家也在積極布局燃料電池汽車(chē)。

圖2 2017年企業(yè)燃料電池出貨量

我國(guó)燃料電池研究的起步較晚但后勁十足，2016年我國(guó)燃料電池銷(xiāo)量不足30輛，到了2017年我國(guó)燃料電池汽車(chē)的銷(xiāo)售量已經(jīng)突破千輛大關(guān)。在物流車(chē)方面，東風(fēng)汽車(chē)和金華青年汽車(chē)公司分別銷(xiāo)售531、401輛燃料電池貨車(chē)，占據(jù)全年市場(chǎng)銷(xiāo)量的接近85%;客車(chē)方面，銷(xiāo)量過(guò)百主要廠(chǎng)商為上汽大通、金華青年、福田汽車(chē)、宇通客車(chē)等;乘用車(chē)方面，僅有上汽集團(tuán)一款榮威950車(chē)型對(duì)外銷(xiāo)售。燃料電池的銷(xiāo)量增加也帶動(dòng)了我國(guó)燃料電池的出貨量，2017年燃料電池出貨量接近34 MW，主要供應(yīng)廠(chǎng)商為新源動(dòng)力、上海重塑、南通百應(yīng)和北京億華通等公司。

除了市場(chǎng)資金的涌入，政策也為燃料電池行業(yè)帶來(lái)了春風(fēng)，我國(guó)從 2001 年就確立了“863 計(jì)劃電動(dòng)汽車(chē)重大專(zhuān)項(xiàng)”項(xiàng)目，確定三縱三橫戰(zhàn)略，以純電動(dòng)、混合電動(dòng)和燃料電池汽車(chē)為三縱，以多能源動(dòng)力總成控制、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力蓄電池為三橫。2015 年《中國(guó)制造 2025》規(guī)劃綱要出臺(tái)，其中包括未來(lái)國(guó)家將繼續(xù)支持燃料電池汽車(chē)的發(fā)展。并提出2025年要實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車(chē)的運(yùn)行規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，達(dá)到 1000 輛的運(yùn)行規(guī)模，制氫、加氫等配套基礎(chǔ)設(shè)施基本完善，燃料電池汽車(chē)實(shí)現(xiàn)區(qū)域小規(guī)模運(yùn)行。相對(duì)于燃料電池汽車(chē)發(fā)展較早的國(guó)家，我國(guó)相應(yīng)的政策制度還不健全，但國(guó)家層面已經(jīng)關(guān)注到這個(gè)行業(yè)，并為產(chǎn)業(yè)提供多方向的扶持計(jì)劃，相信未來(lái)隨著更多政策的出臺(tái)，燃料電池行業(yè)將擁有更廣闊的前景。

質(zhì)子交換膜以全氟磺酸膜為主 技術(shù)不斷改進(jìn)性能逐漸加強(qiáng)

質(zhì)子交換膜主要有全氟磺酸膜、部分氟化聚合物膜、新型非氟化聚合物膜及復(fù)合膜。目前在市場(chǎng)上應(yīng)用最多的是全氟磺酸膜，其性能較為優(yōu)異，厚度僅為 50-180μm，在一定的溫度和濕度條件下，具有選擇透過(guò)性，同時(shí)具有適度的含水率，對(duì)氧化、還原和水解反應(yīng)具有穩(wěn)定性，還具有足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及膜表面適合與催化劑結(jié)合等性能。

表1 企業(yè)生產(chǎn)全氟磺酸樹(shù)脂膜結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)

(資料來(lái)源《膜科學(xué)與技術(shù)》、國(guó)金證券研究所，金智創(chuàng)新整理)

盡管全氟磺酸質(zhì)子交換膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率較高，耐酸堿、耐熱的穩(wěn)定性較好，但是其燃料滲透，尤其是直接甲醇燃料電池中的甲醇滲透嚴(yán)重，嚴(yán)重影響其電池性能;此外，全氟磺酸質(zhì)子交換膜的成本較高是阻礙燃料電池量產(chǎn)的關(guān)鍵問(wèn)題。目前，為了得到綜合性能更佳的質(zhì)子交換膜主要有兩個(gè)新型改良途徑：

一是對(duì)現(xiàn)有的全氟磺酸質(zhì)子交換膜進(jìn)行改善，國(guó)外學(xué)者在原有的質(zhì)子交換膜上利用含氟的聚苯并咪唑進(jìn)行共混交聯(lián)，制備了4種新型的質(zhì)子交換膜，(PFSA-PBICF3-Im, PFSA-PBICF3, PFSA-Im and PFSA)。其中PFSA-Im膜的最大功率密度可達(dá)124兆瓦/平方厘米，改進(jìn)后的全氟磺酸質(zhì)子交換膜質(zhì)子傳導(dǎo)率也有所提升，通過(guò)低劑量電子束對(duì)膜表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，其質(zhì)子傳導(dǎo)率、甲醇滲透等性能均得到了改善。

二是研發(fā)新型聚合物材料用以質(zhì)子交換膜，非氟碳?xì)渲麈湹木酆衔镆蚱湓弦椎?，成本低廉，成為時(shí)下質(zhì)子交換膜的研究熱點(diǎn)。

在我國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)中，電子科大教授何偉東及其團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中研發(fā)出的質(zhì)子交換膜能夠與杜邦公司的產(chǎn)品抗衡(質(zhì)子傳導(dǎo)率是 Nafion-117 的1.78 倍)，且成本僅僅是后者的十分之一(約達(dá)到 6 美元/kw)。中南大學(xué)的桑商斌教授也通過(guò)改良技術(shù)制備復(fù)合型質(zhì)子交換膜，比原質(zhì)子交換膜質(zhì)子滲透選擇性提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)，能顯著提高燃料電池的能效。

以上內(nèi)容為金智創(chuàng)新一線(xiàn)專(zhuān)家原創(chuàng)撰寫(xiě)，原文參考：http://www.jzcx.net/article/406.html，如有轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。