在國家政府的大力號召和政策補貼之下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展。現(xiàn)在我國已經(jīng)成為新能源汽車銷量第一大國。但隨著新能源汽車市場規(guī)模的不斷擴大，一些問題隨之產(chǎn)生：鋰資源面臨枯竭、能量密度提升遭遇瓶頸、電池安全問題頻發(fā)等等。而這些問題的根本，則是新能源汽車電池瓶頸帶來的發(fā)展阻礙。據(jù)金智創(chuàng)新一線專家獲悉，為了解決這一問題，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)技術(shù)研發(fā)逐漸成熟，也許不久的將來，新能源汽車電池的瓶頸，有望突破.....

 

 

 

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、低溫下快速啟動等優(yōu)勢，在便攜式移動電源和新能源汽車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簡單、制造成本較低、應(yīng)用范圍廣、啟動速度快，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，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，工作時相當(dāng)于一個直流電源，陽極即電源負(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。

 

我國質(zhì)子交換膜燃料電池起步較晚，但后勁十足

 

我國對質(zhì)子交換膜燃料電池的研究還處于前期階段，而國外燃料電池行業(yè)因為布局較早，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間表，日本豐田汽車于2014年12月商業(yè)化燃料電池汽車Mirai;韓國現(xiàn)代汽車已于2013量產(chǎn)了燃料電池汽車ix35;日本本田汽車于2015年11月首次推出了旗下首款氫氧燃料汽車Clarity，除此之外，國外其他大型汽車廠家也在積極布局燃料電池汽車。

 

 

圖2 2017年企業(yè)燃料電池出貨量

 

我國燃料電池研究的起步較晚但后勁十足，2016年我國燃料電池銷量不足30輛，到了2017年我國燃料電池汽車的銷售量已經(jīng)突破千輛大關(guān)。在物流車方面，東風(fēng)汽車和金華青年汽車公司分別銷售531、401輛燃料電池貨車，占據(jù)全年市場銷量的接近85%;客車方面，銷量過百主要廠商為上汽大通、金華青年、福田汽車、宇通客車等;乘用車方面，僅有上汽集團一款榮威950車型對外銷售。燃料電池的銷量增加也帶動了我國燃料電池的出貨量，2017年燃料電池出貨量接近34 MW，主要供應(yīng)廠商為新源動力、上海重塑、南通百應(yīng)和北京億華通等公司。

 

除了市場資金的涌入，政策也為燃料電池行業(yè)帶來了春風(fēng)，我國從 2001 年就確立了“863 計劃電動汽車重大專項”項目，確定三縱三橫戰(zhàn)略，以純電動、混合電動和燃料電池汽車為三縱，以多能源動力總成控制、驅(qū)動電機和動力蓄電池為三橫。2015 年《中國制造 2025》規(guī)劃綱要出臺，其中包括未來國家將繼續(xù)支持燃料電池汽車的發(fā)展。并提出2025年要實現(xiàn)燃料電池汽車的運行規(guī)模進一步擴大，達到 1000 輛的運行規(guī)模，制氫、加氫等配套基礎(chǔ)設(shè)施基本完善，燃料電池汽車實現(xiàn)區(qū)域小規(guī)模運行。相對于燃料電池汽車發(fā)展較早的國家，我國相應(yīng)的政策制度還不健全，但國家層面已經(jīng)關(guān)注到這個行業(yè)，并為產(chǎn)業(yè)提供多方向的扶持計劃，相信未來隨著更多政策的出臺，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)不斷改進性能逐漸加強

 

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，具有選擇透過性，同時具有適度的含水率，對氧化、還原和水解反應(yīng)具有穩(wěn)定性，還具有足夠高的機械強度和結(jié)構(gòu)強度，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)全氟磺酸樹脂膜結(jié)構(gòu)及基本參數(shù)

 

 

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新型改良途徑：

 

一是對現(xiàn)有的全氟磺酸質(zhì)子交換膜進行改善，國外學(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124兆瓦/平方厘米，改進后的全氟磺酸質(zhì)子交換膜質(zhì)子傳導(dǎo)率也有所提升，通過低劑量電子束對膜表面結(jié)構(gòu)進行修飾，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，成為時下質(zhì)子交換膜的研究熱點。

 

在我國的科研團隊中，電子科大教授何偉東及其團隊在實驗室中研發(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(約達到 6 美元/kw)。中南大學(xué)的桑商斌教授也通過改良技術(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數(shù)量級，能顯著提高燃料電池的能效。

 

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