楊斌
華澗新能源科技(上海)有限公司 上海市 201703
氫燃料電池又被稱之為氫質(zhì)子交換膜燃料電池,其工作原理主要是通過氫質(zhì)子的交換實(shí)現(xiàn)電荷的移動(dòng),形成電流。在該電池中,氫燃料會(huì)在其陽極部位發(fā)生氧化,反應(yīng)后生成的產(chǎn)物在移動(dòng)到陰極部分時(shí),會(huì)與該處存在的氧化劑再次發(fā)生反應(yīng)。[1]在電池內(nèi)部需要發(fā)生反應(yīng)的部分,都會(huì)有催化劑存在,以保障氫電池內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)能夠滿足電力的供應(yīng)需求。氫電池的幾個(gè)核心零部件是保障其電池性能的重要零部件,同時(shí),其生產(chǎn)技術(shù)直接關(guān)系到了電池的使用壽命、成本等。當(dāng)前,關(guān)于氫燃料電池的研究及其生產(chǎn)制造技術(shù),國內(nèi)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外,許多關(guān)鍵的生產(chǎn)技術(shù)都掌握在國外生產(chǎn)企業(yè)的手中,我國的氫燃料電池生產(chǎn)還存在著很龐大的提升空間。
該電池的核心零部件有質(zhì)子交換膜、雙極板、催化劑、空壓機(jī)、儲(chǔ)氫罐。目前,世界各國關(guān)于氫燃料電池核心零部件的研究并未停止,大家都希望能夠研究出更適合汽車使用的清潔能源。
其主要作用是確保質(zhì)子可以順利通過,而阻止還未發(fā)生電解反應(yīng)的氫燃料、氧化劑、催化劑等通過。有了質(zhì)子交換膜的存在,就可以保障氫燃料電池內(nèi)部質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)方向,即確保了電流的流動(dòng)方向。該交換膜是氫燃料電池最基本、最核心的一個(gè)零部件,與普通電池中的隔膜存在一定區(qū)別。
關(guān)于燃料電池中質(zhì)子交換膜的研究,最早可以追溯到20 世紀(jì)60 年代,當(dāng)時(shí),世界范圍內(nèi)最早研究出燃料電池中質(zhì)子交換膜的公司就是美國杜邦公司。從該公司起,后續(xù)不斷有同類型公司進(jìn)行相關(guān)研究,并且有部分公司也成功生產(chǎn)出了全氟磺酸結(jié)構(gòu)的質(zhì)子交換膜。但直到現(xiàn)在,全球主要的質(zhì)子交換膜依舊由杜邦公司所提供。
在氫燃料電池中的組件中,對于質(zhì)子交換膜這個(gè)零部件的要求非常高。當(dāng)前,世界范圍內(nèi)的質(zhì)子交換膜都屬于全氟化聚合物,這種材料制作出來的質(zhì)子交換膜可以滿足氫燃料電池的使用需求,但是,氫燃料電池的主要成本也由該零部件決定。目前國內(nèi)外都在積極研究減少該零部件制作成本的技術(shù),但是進(jìn)展甚微。
我國的天津大學(xué)、大連化學(xué)物理研究所、武漢理工大學(xué)等大學(xué)院?;蜓芯繖C(jī)構(gòu)已經(jīng)對該零部件的研究有了較長的時(shí)間,他們是國內(nèi)最領(lǐng)先的機(jī)構(gòu),但是目前國內(nèi)的研究成果距離世界上其他發(fā)達(dá)國家的研究成果依舊存在一定的差距。在我國,該零部件的主要生產(chǎn)廠商是中科同力。
該零部件又被稱之為集流板,不僅僅在氫燃料電池中得到使用,在其他燃料電池中都是十分重要的零部件。雙極板功能較多,可以將氫燃料電池中的燃料與氧化劑分開,同時(shí)還可以阻止氣體的通過,還具備傳導(dǎo)電流的功能。氫燃料電池在工作時(shí)會(huì)釋放熱量,而雙極板還具備導(dǎo)熱功能,可以保持電池內(nèi)部溫度的恒定。[2]雙極板的原材料價(jià)格較為便宜,目前的研究主要集中在控制其導(dǎo)電性、厚度等方面,主要目的是減輕氫燃料電池的整體重量,同時(shí)確保其導(dǎo)電性,避免因?yàn)殡p極板太厚而影響電池功能。
催化劑的存在可以加速氫燃料電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng),使得氫離子的生成速度加快,其轉(zhuǎn)移速度也會(huì)隨之增加,從而保障電池的電量供應(yīng)。電池的催化層是整個(gè)電池的核心,電池的電化學(xué)反應(yīng)也在該部分完成,電池內(nèi)部的電催化反應(yīng)發(fā)生時(shí),其反應(yīng)速率不僅與催化劑的活性相關(guān),還與其電解質(zhì)溶液、電場的特性有著極大關(guān)聯(lián)。
到目前為止,世界各國使用的氫燃料電池中,如果是質(zhì)子交換膜類型的,其催化劑均主要是鉑或者鉑碳顆粒。由于鉑是貴金屬,其原料的成本也較高,鉑催化劑的成本及質(zhì)子交換膜的成本,共同造成了當(dāng)前氫燃料電池制造成本居高不下的原因。
關(guān)于催化劑的研究,目前全世界主要將目光放在控制其添加量或者找到更為廉價(jià)的替代品方面。在我國,關(guān)于該電池催化劑的研究,僅僅只有中山大學(xué)、天津大學(xué)、大連化學(xué)物理研究所等有限的幾所研究機(jī)構(gòu)有一定建樹。
該零部件可以看做是氫燃料電池的“肺”,其主要功能就是為電池提供反應(yīng)時(shí)所必須的氧氣,而空壓機(jī)往往是氫燃料電池制作過程中的瓶頸所在,許多氫燃料電池的技術(shù)就是受到空壓機(jī)技術(shù)的限。[3]當(dāng)前,在燃料電池中所使用的空壓機(jī)包括三種類型,分別為離心式、羅茨式及雙螺桿式。三種類型的空壓機(jī)都有著各自的特點(diǎn),哪種空壓機(jī)更適合不同氫燃料電池的需求,需要通過大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測試,最終確定一個(gè)最合適的空壓機(jī)類型。
離心式空壓機(jī)
離心式空壓機(jī)的做功方式是通過葉輪的旋轉(zhuǎn),從而對其內(nèi)部的氣體做功。在葉輪與擴(kuò)壓器的流道內(nèi)部,通過其離心升壓及降速擴(kuò)壓的作用,將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體的內(nèi)能。該類型空壓機(jī)有著較多優(yōu)點(diǎn),如工作效率高、響應(yīng)速度快等。但是,其工作效率較為狹窄,如果其在低流量高壓比的環(huán)境下工作,很容易發(fā)生喘振現(xiàn)象,這種現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)嚴(yán)重?fù)p害到該空壓機(jī)的整體使用壽命。
當(dāng)使用該類型空壓機(jī)進(jìn)行工作時(shí),通常有兩種方案,不同方案對于該空壓機(jī)內(nèi)部的某些零部件要求不同。其中,一種工作方案是增速器+滾珠軸承,這種方案下的空心機(jī),在工作時(shí)其電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低,并且該空心機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造較為復(fù)雜,在使用時(shí),需要添加一定量的潤滑劑,由于潤滑劑的使用,可能會(huì)對周圍的環(huán)境造成污染,并且空壓機(jī)的使用壽命也可能因此而縮短;另一種方案是動(dòng)壓空氣懸浮軸承,這種方案的空壓機(jī)對于其軸承的精度、耐磨性存在著較高的要求,因?yàn)樵摲桨赶?,軸承的空氣間隙較小,在空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí),軸承會(huì)出現(xiàn)干摩擦的現(xiàn)象。
羅茨式空壓機(jī)
該類型的空壓機(jī)工作時(shí),其轉(zhuǎn)子間的容腔不會(huì)發(fā)生變化,它是通過外壓縮的方式,將該機(jī)器內(nèi)部的空氣擠壓到外部的小容腔內(nèi),該容腔由于空氣的進(jìn)入、擠壓,其內(nèi)部的空氣密度、壓力會(huì)不斷升高。該空壓機(jī)采用了轉(zhuǎn)子及泵殼間容積壓縮的方式,二者之間的間隙小于1mm,所以一旦空壓機(jī)發(fā)熱,其泵殼很容易因?yàn)榘l(fā)熱而膨脹,就會(huì)出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象??がF(xiàn)象的出現(xiàn),會(huì)使得機(jī)器的磨損加快,甚至直接因?yàn)榭ざ鴵p壞機(jī)器,所以該類型的空壓機(jī)對于泵殼的機(jī)械強(qiáng)度有著較高的要求。轉(zhuǎn)子的精度、耐磨性等要求并不高,其轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)成本較低。該空壓機(jī)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的噪音,在汽車上使用時(shí),需要針對性地進(jìn)行消音設(shè)計(jì)。
雙螺桿式空壓機(jī)
該類型的空壓機(jī)以內(nèi)壓縮的方式運(yùn)轉(zhuǎn),在其螺桿之間會(huì)形成壓縮腔,從而使得兩個(gè)螺桿之間的容腔逐漸減小,其內(nèi)部的氣體壓力就會(huì)逐漸升高。該空壓機(jī)對于外部的空氣條件有著較高的要求,若空氣中的微小顆粒較多,則會(huì)對螺桿造成磨損,從而導(dǎo)致空壓機(jī)的密封性出現(xiàn)問題,影響其內(nèi)部壓力。[4]在技術(shù)方面,為了避免該問題,會(huì)將耐磨材料涂抹在在螺桿上。該空壓機(jī)在工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的噪音,所以也需要進(jìn)行針對性消音設(shè)計(jì)。
在現(xiàn)階段,主要的儲(chǔ)氫方式就是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫,其充放氫的速度較快,并且其容器結(jié)構(gòu)十分簡單,因而被廣泛采用。在一般情況下,儲(chǔ)氫罐與儲(chǔ)氫瓶不做區(qū)分,在行業(yè)內(nèi)也將二者混合使用。按照制造材料的不同,儲(chǔ)氫罐可以分為三種類型。
一型罐
一型罐是金屬制作的儲(chǔ)氫罐,一般采用如鋼這樣的性能較好的金屬材料制作。雖然這種儲(chǔ)氫罐的制造材料簡單,成本較低,但是其耐壓性并不強(qiáng)。早期的金屬儲(chǔ)氫罐,僅僅可以承受12-15Mpa 壓力的氫氣,在該壓力下,氫氣的質(zhì)量密度要小于1.6%。適當(dāng)?shù)卦黾右恍﹥?chǔ)氫罐瓶壁的厚度,可以在一定限度內(nèi)有效地提升該儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫能力,但是這種方式會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)氫罐的容積降低。金屬儲(chǔ)氫罐一般通過高強(qiáng)度的無縫鋼管旋壓收口制作而成,如果在制作過程中提升了其材料的強(qiáng)度,那么很容易導(dǎo)致其內(nèi)部細(xì)小裂紋的出現(xiàn),會(huì)提高其內(nèi)部儲(chǔ)存氫氣失效的可能。并且,對于儲(chǔ)氫罐內(nèi)部情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測時(shí),往往會(huì)在其多層結(jié)構(gòu)之間安裝檢測工具,但是該類型儲(chǔ)氫罐的結(jié)構(gòu)是單層,無法安裝該工具,所以這類儲(chǔ)氫罐往往用于小容量、固定式的氫氣儲(chǔ)存,于車載氫燃料電池而言,該儲(chǔ)氫罐達(dá)不到要求。
二型罐
二型罐是金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞或全纏繞氣罐,這種儲(chǔ)氫罐是隨著人們對于儲(chǔ)氫需求增加而逐步發(fā)展起來的。在該儲(chǔ)氫罐的內(nèi)部,有不銹鋼或鋁合金制造而成的金屬內(nèi)膽,其主要作用就是密封儲(chǔ)存的氫氣。除金屬層之外,其主要承壓的部分為纖維材料制造,可以保障其儲(chǔ)氫壓力達(dá)到40Mpa。金屬內(nèi)膽由于不需要承擔(dān)氫氣帶來的內(nèi)部壓力,所以可以將該內(nèi)膽制成較薄的狀態(tài),以減輕儲(chǔ)氫罐整體的重量。由于該儲(chǔ)氫罐內(nèi)部存在著多層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以有效避免其金屬層因?yàn)闅錃獾脑蚨艿礁g,而在不同材料的層級之間,還存在較大的密閉空間,可以通過該密閉空間實(shí)現(xiàn)對于儲(chǔ)氫罐內(nèi)部狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該儲(chǔ)氫罐材料成本并不昂貴,且儲(chǔ)氫效果也較好,所以往往也會(huì)在大容量儲(chǔ)氫時(shí)使用。
三型罐
該種類型的儲(chǔ)氫罐是非金屬類型的纖維全纏繞氣罐。這種類型的儲(chǔ)氫罐是為了使得罐體本身的重量進(jìn)一步降低,而利用一些剛度較好的塑料代替金屬。這類儲(chǔ)氫罐一共有三層結(jié)構(gòu),分別為塑料內(nèi)膽、纖維增強(qiáng)層、保護(hù)層。塑料內(nèi)膽的氣密性、抗腐蝕等能力較金屬內(nèi)膽強(qiáng),并且其耐高溫性能、韌性等也都較高。該儲(chǔ)氫罐的總重量僅為同儲(chǔ)量鋼罐的50%,在車載氫燃料電池中,該種類型的儲(chǔ)氫罐處于優(yōu)先級別,也是各生產(chǎn)廠商儲(chǔ)氫罐的主要競爭類型。為了使得該儲(chǔ)氫罐的重量或性能得到進(jìn)一步的優(yōu)化,人們也研究出了各種優(yōu)化方式,有些優(yōu)化方式可以有效減少其纖維材料用量的40%。
目前,氫燃料電池的質(zhì)子交換膜制造技術(shù)依舊由國外壟斷,國內(nèi)相關(guān)的研究企業(yè)尚在致力于突破該技術(shù)限制,所以國內(nèi)質(zhì)子交換膜的未來發(fā)展方向就是研究其生產(chǎn)制造技術(shù)。如何減少該零部件的制造成本,也是各研究機(jī)構(gòu)最關(guān)心的問題。[5]無孔石墨雙極板的導(dǎo)電性良好,但是其材料的脆性較大,給大批量生產(chǎn)和長期使用帶來了一系列困難,而金屬雙極板也擁有著良好的導(dǎo)電性能,同時(shí)其材料強(qiáng)度、韌性等也都較高,但在某些特殊情況下,金屬雙極板容易受到腐蝕,目前關(guān)于雙極板的研究主要是復(fù)合材料雙極板方向,復(fù)合材料兼具了各類材料的優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前研究的主流,未來關(guān)于雙極板的研究,一定會(huì)集中在材料方面。關(guān)于催化劑的研究,國內(nèi)則主要集中在降低鉑載量方面。關(guān)于空壓機(jī)的研究,由于離心式空壓機(jī)在密度、噪音、效率等方面的綜合效果優(yōu)于其他類型的空壓機(jī),所以成為了當(dāng)前研究的主流。在儲(chǔ)氫罐的研究方面,豐田第三代MIRAI 氫燃料電池汽車搭載的70Mpa 儲(chǔ)氫罐是當(dāng)前全球最領(lǐng)先的儲(chǔ)氫罐,其儲(chǔ)氫罐的質(zhì)量效率達(dá)到了5.7%,全球最高,所以未來關(guān)于儲(chǔ)氫罐的研究一定會(huì)集中在其材料、結(jié)構(gòu)方面,若能找到更優(yōu)質(zhì)的內(nèi)膽材料,或能夠找到一種更優(yōu)的儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu),那么就有可能將當(dāng)前儲(chǔ)氫罐的質(zhì)量效率提高。
當(dāng)前,我國十分重視關(guān)于氫燃料電池的研究,在研究條件方面并不比國外某些發(fā)達(dá)國家差,造成我國與其他國家技術(shù)差距的主要原因是國外的技術(shù)封鎖及我國的研究起步較晚。整體來看,我國當(dāng)前的氫燃料電池技術(shù)與國外發(fā)達(dá)國家相比還存在著十分明顯的差距,相信隨著我們對于可持續(xù)發(fā)展的需求及重視,我國一定會(huì)將更多的研究目光集中在氫燃料電池核心零部件的研究領(lǐng)域。氫燃料電池是未來汽車能夠使用的理想能源,以后氫能也將會(huì)發(fā)展成為世界新能源領(lǐng)域的重要產(chǎn)業(yè),所以氫燃料電池生產(chǎn)技術(shù)將會(huì)占據(jù)著十分重要的戰(zhàn)略地位,未來,氫燃料電池的使用壽命、使用條件等,也將會(huì)成為研究的熱門領(lǐng)域。