催化劑的研究，尤其是陰極催化劑的研究更是頗受關(guān)注的研究焦點。究其原因，如下：首先，燃料電池陰極側(cè)的氧還原（ORR）反應(yīng)是一個四電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，其反應(yīng)動力學(xué)較慢，是整個反應(yīng)的控速步驟，需要高活性的催化劑來加快反應(yīng)的速率[6]。其次，燃料電池極化活化區(qū)域的電位損失主要來源于陰極側(cè)，因此需要較高活性的催化劑來降低極化活化過程的電位損失。最后，催化劑的成本占整個電池制造成本的 50 %左右，鉑金屬價格貴且不可再生，這也限制了PEMFC的商業(yè)化推廣應(yīng)用。減少催化劑的鉑金屬用量、提高鉑的催化和穩(wěn)定性能，成為燃料電池催化劑的一個研究重點[4,7-9]。

 

目前，國內(nèi)外的鉑金屬用量降低研究措施主要聚焦于鉑納米顆粒在載體上分散至單原子層分散化技術(shù)研究[10-11]和鉑的合金化、核殼化及非貴金屬化的活性組分開發(fā)。目前常見的新型陰極催化劑主要有雙金屬表面合金、雙金屬核殼結(jié)構(gòu)、過渡金屬碳化物負(fù)載的金屬納米結(jié)構(gòu)及石墨烯基催化劑等[12-15]。

 

研究發(fā)現(xiàn)，納米 Pt 顆粒的尺寸越小其催化活性越高；但是尺寸越小，納米 Pt 顆粒越不穩(wěn)定[16-18]。為了平衡較高的表面能，相鄰納米 Pt 粒子會團(tuán)聚，導(dǎo)致催化活性的下降[19]。當(dāng)納米粒子的尺寸達(dá)到 2 nm 以下時，團(tuán)聚現(xiàn)象更易發(fā)生。為了降低 Pt 用量、提高鉑催化劑的穩(wěn)定性，Pt 與過渡金屬合金催化劑、Pt 核殼催化劑、Pt 單原子層催化劑等催化劑相繼被研發(fā)出來。這些催化劑主要利用了納米 Pt 顆粒的分散技術(shù)減少Pt 用量、提高 Pt 利用率，增加其質(zhì)量比活性和面積比活性以減少 Pt 顆粒的溶解；向碳載體中摻雜氮、氧、硼等雜質(zhì)原子以增強 Pt 顆粒和過渡金屬的表面附著力，減小 Pt 催化劑的遷移及團(tuán)聚，提升催化劑的耐久性[20]。

 

為了降低鉑金屬的用量，不含 Pt 的單/多層過渡金屬氧化物催化劑、納米單/雙金屬催化劑、碳基可控?fù)诫s原子催化劑、M-N-C 納米催化劑、石墨烯負(fù)載多相催化劑、納米金屬多孔框架催化劑等也隨之研發(fā)出來[20]。盡管這些催化劑降低了 Pt用量，但其實際應(yīng)用性能尚未驗證。減少鉑金屬用量、提高催化劑的催化活性將依舊是降低氫燃料電池生產(chǎn)成本的主要研究方向。

 

 

質(zhì)子交換膜是燃料電池的重要部件之一，其作用是隔絕陽極和陰極的反應(yīng)氣和電子隔離并起傳導(dǎo)質(zhì)子的功能。質(zhì)子交換膜性能的好壞決定著燃料電池的性能和壽命為確保燃料電池穩(wěn)定工作，質(zhì)子交換膜應(yīng)具備優(yōu)異的質(zhì)子傳導(dǎo)率、優(yōu)良的耐化學(xué)性能和穩(wěn)定性、較高的機械強度和長使用壽命等[21]。目前關(guān)于質(zhì)子交換膜的研究，主要是添加無機填料對磺化聚合物進(jìn)行雜化、其他聚合物與磺化聚合物復(fù)合以提膜的性能。

 

根據(jù)聚合物基體材料的不同，可以將質(zhì)子交換膜分為全氟離聚物（或部分全氟離聚物）、非氟碳?xì)浠衔铮òㄖ咀寤蚍枷阕褰Y(jié)構(gòu)）和酸堿混合物。

 

全氟磺酸質(zhì)子交換膜，是利用碳氟主鏈的疏水性和側(cè)鏈磺酸端基的親水性，使得 PEM 在潤濕狀態(tài)下的微相分離具備較高的穩(wěn)定性和質(zhì)子電導(dǎo)率。常見的 PEM 有 Dupont 的 Nafion膜，陶氏集團(tuán)的 Dow 膜、科慕化學(xué)有限公司的 NC700 膜、3M的PAIF膜、日本旭化成株式會社的Aciplex膜、Ballard的BAM膜等[22]。這些膜的主要差異在于全氟烷基醚側(cè)鏈的長短以及磺酸基的含量有所不同。國內(nèi)，依托中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所成立的新源動力股份有限公司、武漢理工大學(xué)和湖北省市政府共同投資的武漢理工新能源有限公司以及上海神力科技有限公司等公司也已具備了全氟磺酸 PEM 產(chǎn)業(yè)化的能力[23-24]。全氟磺酸樹脂占據(jù)了燃料電池電解質(zhì)膜的絕對市場，但是其在高溫低濕條件下質(zhì)子傳導(dǎo)率低、合成成本高、以及氣體阻隔性能差問題依舊無法避免。

 

非氟碳?xì)浠衔锸侵笇⒎锱c無機或其他非氟化物進(jìn)行共混。典型的有 Ballard 的 BAM3G 膜，采用三氟苯乙烯于含有取代基的三氟苯乙烯共混、磺化，制備的 BAM3G 膜磺酸基含量非常低，不僅工作效率高、化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度優(yōu)異，且制備成本遠(yuǎn)低于全氟磺酸質(zhì)子交換膜[25]。

 

芳香族聚合物因其機械強度高、化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性好、耐熱性強及價格低等特點被作為聚合物主鏈制備非氟聚合物質(zhì)子交換膜。例如磺化聚醚砜、磺化聚醚酮、磺化聚酰亞胺、聚苯并咪唑及含氮雜環(huán)類化合物制得的質(zhì)子交換膜，在低濕甚至無水的條件下仍具有良好的質(zhì)子傳導(dǎo)能力和化學(xué)穩(wěn)定性[26]，該類聚合物也是質(zhì)子交換膜的研究熱點之一。

 

酸堿聚合物具有較低的吸水率、較高的質(zhì)子電導(dǎo)率、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性及機械強度，被用于制備質(zhì)子交換膜。聚合物的摻雜程度和溫度對酸堿聚合物的質(zhì)子電導(dǎo)率影響較大。新型的酸堿聚合物膜有磺化酸性聚合物（sPPENK 、sPPESK 和 sPBEK）和堿性聚醚酰胺（PEI）制備的混合物膜[27]。

 

 

雙極板是燃料電池中的核心部件之一，在燃料電池中起到傳導(dǎo)電子、均勻分配反應(yīng)氣體、排出反應(yīng)生成的水、傳導(dǎo)熱量以及支撐作用。材料主要有石墨、金屬、復(fù)合材料等，占燃料電池總質(zhì)量的 60 %——80 %，占燃料電池成本的 30 %——40 %[28]。因此，研究雙極板的材料及流場設(shè)計是非常必要的。

 

 

石墨雙極板具有較好的導(dǎo)電性，但其流道需要機械雕刻，加工效率低且成本高。復(fù)合材料雙極板是將碳粉與樹脂等組分按一定比例混合制備，其導(dǎo)電性較差[4]。金屬雙極板因其重量輕、導(dǎo)電性好及成本低等優(yōu)勢，被豐田、本田株式會社、現(xiàn)代汽車等各大汽車公司廣泛采用。

 

金屬雙極板在燃料電池工作環(huán)境下（酸性、電位、濕熱）耐腐蝕性較差，因此需要在其表面涂覆耐腐蝕涂層。常用的涂層有貴金屬涂層、金屬化合物涂層與碳涂層、高聚物涂層等。貴金屬涂層（如金、銀、鉑等）耐蝕性強且導(dǎo)電性能好，但其昂貴僅在一些特殊領(lǐng)域采用。金屬化合物涂層因其良好的耐蝕性和導(dǎo)電性、制備簡單、成本低等優(yōu)點，成為目前應(yīng)用最廣泛的涂層。碳涂層是因其成本低廉性能優(yōu)異，也是目前的研究熱點之一。導(dǎo)電聚合物常見的為聚苯胺、聚吡咯等，也是一種比較有效的新興涂層[29]。

 

 

水熱系統(tǒng)管理是燃料電池高效穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素之一，而流道結(jié)構(gòu)影響著反應(yīng)的水氣輸送和熱傳遞。合理的流道設(shè)計可以將反應(yīng)氣體在雙極板的反應(yīng)區(qū)均勻分布并及時排除產(chǎn)生的水，保障燃料電池的性能及穩(wěn)定。傳統(tǒng)的流道結(jié)構(gòu)有直通道和蛇形流道、交指形、多通道蛇形、螺旋、網(wǎng)狀流場等。直流道內(nèi)部氣體流速慢，易出現(xiàn)局部水堵塞流道，導(dǎo)致燃料電池電壓較低且不穩(wěn)定；蛇形流道有利于形成水的排出，但 U 型拐角壓降過大導(dǎo)致能量損失大；交指型流道和螺旋流道雖然排水能力和氣體傳質(zhì)效果較好，但是這兩種流道的壓降較大，實際應(yīng)用效果較差；網(wǎng)狀流道因流速較低，不利于產(chǎn)生的水及時排出[30]。對于燃料電池流場的研究一方面是對傳統(tǒng)流道尺寸的優(yōu)化和性能分析，另一方面是仿生流道、徑向流道和 3D 復(fù)雜流道等新型流道的設(shè)計。

 

Wen[31]等通過 CFD 方法發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格流道的流道深度最佳在0.3 mm。Wang[32]等通過 PEMFC 模型得出：當(dāng)工作電壓＜0.7V 時，減小蛇形流道的寬高比可增加反應(yīng)物入口流速，更好的去除流道內(nèi)的反應(yīng)生成的水。楊洋[33]等通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)平行流道的流道寬度、高度和肋板寬度為 1 mm、0.4 mm、1 mm 時燃料電池的性能最佳。Zhu[34]等發(fā)現(xiàn)，橫截面為倒梯形的流道，水滴去除能力最強，其次為矩形、彎曲底壁的矩形、梯形，三角形橫截面的流道水滴去除能力最差。王揚[35]等發(fā)現(xiàn)梯形和圓形橫截面流道的性能優(yōu)于其他形狀的橫截面流道。

 

Kloess[36]等設(shè)計了葉型、肺型流道，這兩種新型流道的壓降低于現(xiàn)有的蛇形和交指型流道，峰值功率密度可提升 30 %左右。Wang[37]等設(shè)計了一種帶子通道的陰極流道，該流道的最大功率密度比傳統(tǒng)流道提升了 13.2 %。Friess[38]提出了一種新型徑向流道，模擬分析發(fā)現(xiàn)徑向流道燃料電池性能遠(yuǎn)優(yōu)于平行直流道和蛇形流道。以豐田 Mirai 汽車為代表的 3D 復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)可顯著提升水管理能力和氣體輸送，但構(gòu)型比較復(fù)雜且加工成本高。大連化物所[39]設(shè)計了一種梯形擋板 3D 流場，能夠提高水管理能力和氧氣輸運能力。仿生流道和 3D 流道盡管能提高燃料電池的的水管理和氣體傳輸能力，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實際應(yīng)用性還有待驗證。徑向流道因其通道矩形截面呈徑向增大可降低燃料電池的壓降和功耗，電堆裝配難度小等優(yōu)點，目前成為研究的熱點。

 

 

發(fā)展及推廣新能源燃料電池汽車，是我國節(jié)能減排、綠色發(fā)展的重要戰(zhàn)略。與國外燃料電池汽車相比，我國燃料電池汽車的發(fā)動機功率、電堆功率密度、電池使用壽命等方面尚存在一定的差距，使得國內(nèi)燃料電池汽車所使用的燃料電池電堆大多是國外的產(chǎn)品或者使用國外技術(shù)生產(chǎn)的電堆。因此，提高燃料電池的比功率密度和性能、使用壽命，將助于解決我國燃料電池汽車功率、壽命、成本等瓶頸問題，推動我國燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的從示范向商業(yè)化發(fā)展，縮小和消除與國外技木的差距。

 

為了提高燃料電池汽車電堆功率密度和性能，使用壽命，可以從提高陰陽極催化劑、質(zhì)子交換膜及雙極板等關(guān)鍵材料的性能來著手。國內(nèi)外的鉑金屬用量降低研究措施主要是將鉑納米顆粒在載體上分散至單原子層分散化、鉑的合金化、核殼化及非貴金屬化的活性組分開發(fā)。關(guān)于質(zhì)子交換膜的研究，主要是添加無機填料對磺化聚合物進(jìn)行雜化、其他聚合物與磺化聚合物復(fù)合以提高膜的性能。雙極板目前主要采用金屬雙極板，并在表面鍍耐腐涂層；關(guān)于雙極板流道的研究，一方面是對傳統(tǒng)流道尺寸的優(yōu)化和性能分析，另一方面是仿生流道、徑向流道和 3D 復(fù)雜流道等新型流道的設(shè)計。燃料電池實際使用環(huán)境不盡相同，因此需要根據(jù)實際需求選擇合適的技術(shù)方案來提高電堆功率密度和性能，使用壽命。