车用质子交换膜燃料电池的技术现状与发展趋势研究

吴黄祈

摘 要：质子交换膜燃料电池在当前的新能源汽车领域中有很大的应用潜力，在未来一段时期内有望成为传统汽车发动机的理想替代品，因而受到了世界各国的高度关注，近年也得到了很大的发展。本文主要对车用质子交换膜燃料电池的技术现状进行了分析，并指出了当前存在的一些问题，对其发展趋势进行了展望。希望本文的研究可以为相关领域提供新的视角。

关键词：燃料电池;PEMFC;新能源汽车;发动机

随着人类社会的发展，传统的石化燃料储量正在日益减少，能源短缺问题开始深刻影响着人类的生存，各国不得不寻找新的可再生能源。燃料电池是伴随着新能源汽车的需求而发展起来的一种新能源技术，它本质上是将电化学反应把化学能转化成电能的设备，再将电能转化为动能驱动汽车运动，在燃料电池中，最典型的莫过于质子交换膜燃料电池，由于其一系列优点，这类能源近年有了很大的发展。

1 质子交换膜燃料电池概述

质子交换膜燃料电池简称为PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell），它是当前车用燃料电池的一种重要形式，该类电池以氢气等为原料，以高分子膜充当固态电解质，余热还可以进一步利用，因而可以达到更高的能量转换效率，并且可以较方便地实现低温启动，也避免了传统电池的电解质泄露等难点。另外，PEMFC还具有作电流大、比功率高、工作温度低、结构紧凑、轻巧耐用等优势。因此，PEMFC已经在部分轻型汽车得到了应用。

实际上，在石化资源日益紧缺的今天，包括我国在内的世界各国都在投入巨资研发燃料电池电动汽车，因为它在未来的汽车行业中具有巨大的发展潜力，有望成为主流技术。实际上，从外形来看，以FEMFC为驱动的电动汽车和普通汽车是一样的，唯一的区别在于其核心驱动系统及相关的辅助系统。例如，以汽油为燃料的普通汽车通常不具备氧化剂循环、燃料循环、温湿度调节、压力控制等系统环节，但在FEMFC汽车中，这些都是必备的组成部分。

2 基础理论研究现状

车用质子交换膜燃料电池是一种新技术，在许多方面还存在短板，其研究必须从基础理论发出，为其应用和改进提供理论支撑。为此，许多学者对PEMFC涉及的相关理论进行了大量的研究，取得了不错的成果。王诚等人对车用PEMFC材料部件进行了研究，总结了在质子交换膜、催化层、气体扩散层、双板等关键材料的发展现状，并对其发展进行了展望;陈会翠等人对PEMFC电池的经济性进行了分析，通过数字模型描述产品寿命，为其商业化提供了参考;陈沛等人对PEMFC的低温启动进行了实验研究，试验温度为-10℃并取得了成功;同济大学对大功率PEMFC发动机的性能测试进行研究，提出了一些较为准确的测试方案。

3 关键技术的最新突破

FEMFC发动机可以说是这类汽车的心脏，经过近20年的发展，各国汽车生产巨头都取得了不少成果：FEMFC发动机能量效率已经可以在1/4额定功率下达到60%以上，功率密度有了显著的提高，例如丰田公司的产品已经实现了3kW/L以上的功率密度，英国最好的产品更是达到了5 kW /L以上;东风日产最好的产品比功率已超过2kW/kg，丰田和本田则在低温启动方面得到了突破，进一步将启动温度降低至-30℃左右。

4 质子交换膜技术现状

在PEMFC电池中，质子交换膜是最为关键的组成部分，其性能对发动机几乎起到了主导性作用，因而长期以来成为PEMFC技术发展的瓶颈之一。质子交换膜的功能主要是用于对阳极和阴极进行隔离，避免燃料与空气在不受控状态下产生化学反应;也可以用于传导质子，而质子的传导效率则在很大程度上决定着燃料电池的综合效率;此外，质子交换膜不能充当电子绝缘体，使得电子不能在膜内随意传导。

一般来说，质子交换膜必须满足以下条件：质子传导率高、燃料渗透性低、电渗系数小、电化学性能稳定、机械强度高、成本可控。为了实现这一系列苛刻的要求，并非所有的材料都可以用于PEMFC，从当前的研究来看，经实验验证可行的材料主要包括：磺化聚合物膜、复合膜和无机酸掺杂膜等等。其中磺化聚合物电解质受到了最多的关注，继续细分又可以分成全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜和非氟质子交换膜等类型。在这些技术的基础上进行改性，近年又出现了芳香型非氟质子交换膜材料、复合共混质子交换膜材料、嵌段共聚质子交换膜等许多新型的材料。

5 当前存在的问题

综合以上分析可以看出，经过20多年的发展，PEMFC发动机技术已经有了很大的发展，并且还在持续的优化改进中，然而作为一种尚未实现完全实用化的新技术，PEMFC发动机仍然存在着许多急需解决的问题，大量的技术短板等待着工程师和科研人员攻克。例如：

（1）当前的燃料电池堆在低温运转的条件下还无法做到高效散热，尤其是在高温天气时，该问题更是影响着发动机的整体性能，这需要在热水管理方面不断改进;（2）由于PEMFC的发电需要事先湿化薄膜和阳极以及阴极气体，这是质子实现转移的前提条件，然而如果停车温度比水的冰点还低时会引发冷启动问题，这一问题仍未得到很好地解决;（3）与传统的内燃机一样，PEMFC发动机也需要良好的控制系统，在新能源汽车行业中，对控制系统的成本和可靠性要求更高，但是水、热、气等都是非常难以控制的，这需要控制系统也做出相应的改进或变革;（4）辅助系统的效率和成本也是PEMFC系统的重要制约因素，因为它影响着系统的整体集成度和比功率。

6 展望

从前文的分析可以发现，当前PEMFC技术正处于蓬勃发展的时期，尽管还没有实现完成实用化和商业化，但其应用前景是毋庸置疑的。各国在PEMFC方面投入的资金和研发力度也在逐年上升，这也将不断推动PEMFC技术的优化和改进。不难预测，在未来的十几年内，关于PEMFC的研究将集中在水热管理系统、控制系统、耐久性、冷启动、新材料等方面，并不断提高产品的性价比、降低电堆价格，并有望在十年內实现推广和普及应用。

参考文献：

[1]康启平，张国强，刘艳秋.质子交换膜燃料电池膜电极研究进展[J].中北大学学报（自然科学版），2020，41（02）：97-102+123.

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