燃料电池技术硬核及政策市场双轮驱动

  浩博电池网讯：近年来燃料电池引起人们的广泛关注，成为最热门的发展领域之一。本文对燃料电池技术硬核发展情况、政策发布情况及市场的推广情况进行了概述。本文是对在天津于2024年8月2日至4日召开的“电能源前沿技术与应用研讨会”上的报告整理编辑而成。

  面对能源和环境的双重压力，开发利用新能源和可再生能源是一个全球关注的战略要点。作为新能源和可再生能源的一种，氢能也备受关注。氢能将有十几万亿的市场规模，2050年在全球能源结构中占比将达到18%。目前中国30个省出台了氢能发展规划，约二分之一央企布局氢能产业，氢能成为中国实现30/60双碳目标的有力抓手。氢气作为连接各种能源和应用的桥梁(图1)，在人类的发展和生活中将起到越来越重要的作用。

图1 氢气的桥梁作用

  不久的将来，人类将完全依赖风能、太阳能、水利能等可再生能源，但由于这些能源的间歇性和不确定性特点，尚不能满足用电高峰时的全部需求，而在用电低谷时又必须放弃多余不能被消纳的可再生能源。另外，随着化石能源的枯竭，应对交通运输领域的能源需求将成为严重问题。如图2所示，可以通过水的电解把用电低谷时多余的可再生能源用来制氢，氢气作为能源的载体(和化工原料)储存起来，在用电高峰时，通过燃料电池把氢气转化为电能，为电网补充额外所需的电力。同时，氢气通过燃料电池可以驱动各种交通运输工具，解决交通运输领域的能源问题，巧妙地把固定式能源应用到移动领域。所以，通过氢能和燃料电池，可再生能源可以形成了一个完整的闭环，既避免了可再生能源的浪费，又拓展了其应用领域。

图2 氢能和燃料电池使可再生能源形成闭环循环

  燃料电池是把燃料和氧化剂中的化学能通过电化学方式直接转化为电能的发电装置[1-6]，是利用氢气发电的最佳方式。根据所用电解质，燃料电池共分为五类，分别是质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。

  从1839年被发明至今，燃料电池经历了185年的历史，发展历程漫长且艰难，先后经历了起点分别约为1960年、1980年、1995年和2015年的四次浪潮，我们目前正处于至今为止规模最大的第四次发展浪潮中。对于目前最成熟且应用最广泛的质子交换膜燃料电池，技术已经达到比较成熟的地步，基本能够满足多种应用场景的需求，处于小规模示范运行阶段。

  燃料电池的市场化发展离不开自身技术硬核的逐步提升和完善，这是技术之轮。但和任何新技术一样，在其发展的初期都很弱小很脆弱，离不开国家政策的支持，也需要市场的包容和接纳，这是政策和市场之轮。本文将对技术和政策/市场对燃料电池发展的双轮驱动情况进行概述。

  1 燃料电池技术硬核

  燃料电池涉及到很多技术硬核，一部分来自于燃料电池模块，一般包括电堆和单电池电压巡检装置，另一部分来自于核心辅助模块，包括氢气供给模块、空气供给模块、水管理模块、热管理模块、电力调节模块、辅助储能模块、控制模块等。控制模块相当于燃料电池系统的大脑，根据负载的需求协调和监控系统中各个模块的工作状态。图3为燃料电池系统方框示意图。

图3 燃料电池系统方框示意图

  1.1 电堆及其核心部件

  电堆是燃料电池系统中的发电模块，包含至少2个单电池。图4是电堆结构示意图。电堆里的核心部件有膜电极、极板、密封圈等。膜电极本身包括膜和两个电极，即阴极和阳极，电极的核心是催化层；为了支撑催化层和质子膜，还有一个气体扩散层，它既要能使流体如氢气、空气和水穿过，还需具有高的导电性、导热性、以及良好的机械强度。与膜电极相接触的是极板，极板上有精细的流道，使流体(氢气、空气、冷却液)可以从极板的一侧流到另一侧，让反应气在电极的表面实现比较均匀的分配，或让冷却液带走电堆运行时产生的多余热量。近几年来极板的设计和制作得到更多关注，如何降低反应气在流道中的压力降及加快反应气在电极中的传质速度变得越来越重要，燃料电池的电流密度也因此能够越来越高。

图4 电堆结构示意图

  1.1.1 电堆

  电堆中包含有阳极侧端板、阳极侧集流板、阳极侧端极板、多个膜电极和双极板的反复堆叠、阴极侧端极板、阴极侧集流板和阴极侧端板，在合适的压力下紧固后形成一个发电整体。紧固方式有数种，如螺杆、拉杆、绑带、压板等。金属板电堆堆芯(从阳极侧端极板到阴极侧端极板之间的部分，也即极板和膜电极的总和)体积功率密度达到6.5 kW/L；电堆寿命达到几千到上万小时。对于一个含有400片单电池的电堆，其中包含的部件在4000个左右，任何一个部件出了问题，整个电堆就不能正常工作，所以，电堆从结构上看虽然简单，但对其中部件可靠性的要求却非常高。

  现在国内报道最大的电堆达到350 kW，如果假设膜电极的反应面积为400 cm2、功率密度为1.3 kW/cm2，那么该电堆中包含约673片单电池。一个电堆中单电池的片数过多会带来几个问题：一是流体在电堆的公共腔室中的压力降增加，增加寄生负载的功耗；二是从公共腔室的前端到末端流体依次进入处于不同位置的单电池中的流量偏差会加大，影响单电池间性能和寿命的一致性；三是电堆在中间部位附近因重力或振动而“塌腰”的可能性增加；四是电堆出现故障的可能性增加。为此，目前一个电堆中单电池的数量一般控制在400片之内。

  为了避免上述问题同时又能实现电堆的大功率输出，可以采用一堆多段的电堆结构，如图5所示。通过在电堆结构中引入中间公共端板，流体从中间公共端板进(出)，然后均匀分配到其左右两段中，可以使其两侧每段电堆的数量都控制在合理的范围之内。这种一堆多段结构可以按需增加段数，如4段、6段、8段、10段等，为大功率单堆提供了一个有效的解决方案。同时，该方法可以采用常规或通用的极板和膜电极及其尺寸和构型，不需要重新开发极板和膜电极，也不增加它们的加工难度。

图5 一堆二段电堆结构示意图

  1.1.2 电堆中核心材料和部件

  单电池：含有一个膜电极的发电单元是单电池。单电池通常由双极板和膜电极组成，是“双极板+膜电极”结构，如图6所示。石墨类双极板一般通过胶粘的方式把阴极板和阳极板组合在一起，金属类双极板则通过激光焊接的方式把阴极板和阳极板组合在一起，双极板和膜电极之间通过密封圈实现边缘的密封。现在丰田及国内一些公司把膜电极夹在阴极板和阳极板之间，形成一个“阴极板+膜电极+阳极板”的一体化单电池结构，如图7所示，通过密封胶把膜电极和阴极板及阳极板的边缘密封起来，一体化单电池之间的两个极板间则采用密封圈实现边缘的密封。一体化单电池有一些优势，如便于组装和更换，但是加工工艺比较复杂，需要精准的控制，避免阴、阳极板和膜电极边缘密封时出现溢胶而堵塞部分流道，密封时的压力需合适以保证极板和碳纸之间的接触良好。

图6 “双极板+膜电极”单电池结构示意图

图7 “阴极板+膜电极+阳极板”一体化单电池结构示意图

  质子交换膜：寿命比较长的是全氟磺酸膜，最早使用的是杜邦的长支链膜；经过若干年研究发现，短支链膜好处更多。图8是杜邦和陶氏全氟磺酸质子交换树脂的分子结构。目前膜里多含有ePTFE增强骨架，控制膜的机械强度和溶胀程度，并使膜可以做得非常薄，往8 µm甚至5 µm这个方向发展，降低膜的成本和电阻。

图8 杜邦和陶氏全氟磺酸质子交换树脂的分子结构

  催化剂：铂及其合金如PtCo是催化氧气还原反应最好的催化剂。过去人们对催化剂的组成、粒度、形貌以及催化剂碳载体的掺杂和石墨化研究较多，但对碳载体的孔隙结构研究不多。近年来丰田等公司开始使用介孔碳作为载体，发现超过80%的催化剂颗粒位于介孔中，提高催化剂活性约50%，提高电化学活性面积(ECSA)超过20%。介孔碳具有2~50 nm的介孔，连通的介孔有利于物质传输，介孔使催化剂的分散更均匀，增加了催化剂颗粒团聚的难度进而增加寿命；由于介孔中的催化剂不被催化层中的质子交换树脂覆盖，使这些催化剂不受质子交换树脂对其活性及对反应物传输的影响，有利于提高催化剂的利用率和整个燃料电池的性能，同时也为低铂催化层成为可行提供了一个基础。目前，国内也开始开发以介孔碳为载体的催化剂，并报道了比较好的结果。

  由于介孔碳载体的多孔特性，其单位质量的表面积很大，有利于催化剂颗粒的分散。其在燃料电池工作条件下的抗氧化和腐蚀能力需要引起关注，进行适当的石墨化和掺杂处理是个有益的举措。

  气体扩散层：目前气体扩散层由基体和微孔扩散层组成。基体有碳布和碳纸，碳布比较软，容易变形嵌入极板上的流道中，现在基本不用，而是用强度好的碳纸。碳纸厚度由先前的250 μm向150 μm发展，这除了降低材料本身的成本和电阻外，也提高了流体的传质速率，可以满足更大电流密度的需求。希望碳纸能做得更薄一些，如100 μm。能否大幅降低碳纸的厚度主要取决于碳纸的强度或用于制作碳纸的炭纤维的强度。

  微孔扩散层对于提升燃料电池的性能、寿命和水管理起到关键的作用，现已成为质子交换膜燃料电池所用气体扩散层一个必不可少的关键部分[7]。

  膜电极：催化层中催化剂载量现在降得越来越低，同时催化层的性能大幅度提升，美国能源部2025年目标是1.8 W/cm2，日本2030年目标是2.5 W/cm2，实现难度非常大。国内外研究表明，在全氟磺酸聚合物环境中，氧气在Pt表面发生还原反应时的交换电流密度在0.1~1 µA/cm2 (Pt)之间。图9是假设氧气还原反应(ORR)的交换电流密度为0.5 µA/cm2(Pt)、氢气氧化反应(HOR)的交换电流密度是0.5 mA/cm2(Pt)、催化层中Pt的ECSA是电极几何面积的500倍、单电池内阻总和为40 mΩ·cm2、氢气和空气的反应计量比为2、氢气和空气的绝对压力为0.1 MPa、温度为75 ℃的情况下，计算而得的燃料电池性能曲线。可以看到，在0.63 V时的电流密度为1.5 A/cm2，即功率密度为0.94 W/cm2，远低于1.8或2.5 W/cm2。

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