2020年12月23日，中国汽研凯旋举办《2020第三届新能源汽车测试评议本领国际论坛》。中国汽研将连续为公共推送精华演讲实录，本文为中科院大连化学物理切磋所侯明博士带来的《车用燃料电池堆及合头质料发扬》。

能源处境方面，2019年环球碳排放达368亿吨，交通行业所爆发的二氧化碳排放量约占23%，中国事碳排放大户。温室效应的配景下，2016年175个国家签定《巴黎协定》，合键标的是将本世纪均匀气温上升幅度职掌正在2℃。能源安然方面，近两年我国油气对外依存度双革新高，2019年石油对外依存度抵达70.8%。主动切磋石油缺乏下汽车的能源题目，对确保能源安然具有首要道理。

工信部了了指出，我国将援救有条款的地方筑树燃油汽车禁行区试点，正在得到凯旋的根柢上，兼顾切磋订定燃油汽车退出时光表。2020年3月，海南出台了《洁净能源汽车繁荣策划》，章程2030年起全省悉数禁止发售燃油汽车。目前全国上约有十余个国家和地域出台了禁售燃油车的时光表，此中荷兰和挪威显露2025年，将悉数禁售燃油车，而法国和英国也希望于2040年完成燃油车的悉数禁售。

2020年9月22日，习正在第七十五届撮合国大会大凡性争辩上揭橥首要发言：“中国将抬高国家自立功勋力度，选取愈加有力的计谋和步伐，力求2030年前二氧化碳排放抵达峰值，悉力争取2060年前完成碳中和”。

氢举动疏通交通、发电和储能三大规模的合头能源气体，是完成碳中和的首要序言，是将来首要的能源步地，将来职位希望与石化资源比肩，估计2030年墟市价格超万亿。燃料电池是氢能的理念转化安装，使用特别平凡，氢能和燃料电池是能源转化使用洁净化、高效化的合头，是毗邻化石能源和可再生能源的桥梁。

燃料电池汽车的本领构架分为：燃料电池整车（整车打算、安装）；燃料电池动力体例（DC/DC，电机、电控）；燃料电池体例（氛围，氢气供应，水热约束，职掌）；燃料电池电堆（催化剂，膜，膜电极，双极板）。

车用燃料电池合头本领搜罗：合头质料（电解质膜，电催化剂，扩散层）；合头部件（膜电极MEA，双极板、端板，密封元件）；电堆（数百个单池，相仿性，拼装工艺）；体例（反响物供应，水热约束，自愿职掌）。

Pt/C催化剂存正在的题目是车载工况催化剂衰减；Pt资源有限、本钱高；污染处境中毒；处理途径为消重Pt用量（抬高活性，或行使非Pt催化剂）；抬高安静性（Pt-M催化剂、抗氧化载体）。目前Pt用量国际水准概略为0.3g/kW，国里手使装车的用量概略正在0.3-0.5g/kW，将来生气用量正在0.1g/kW以内，相当于汽车尾气净化器Pt的用量。

为了抬高催化剂的活性和安静性，也做了许众种基于Pt的催化剂试验，好比Pt晶面职掌催化剂；Pt-M合金催化剂；Pt-M核壳催化剂；Pt外观妆扮催化剂；Pt单层催化剂；Pt纳米线、薄膜；非Pt催化剂等，浮现Pt-M催化剂取代Pt/C是催化剂的首要繁荣宗旨，使用Pt以外的过渡金属M通过其电子效应和几何效应抬高活性与安静性，现正在Pt3Co/C已有贸易化产物，但须要处理酸性处境下过渡金属融化的题目。

合系合金催化剂的切磋，好比PtCu催化剂，其质料比活性辞别抵达Pt/C的3.8倍；铂镍纳米线催化剂的质料与面积比活性辞别抵达Pt/C的2.5和3.3倍；三维石墨烯复合载体催化剂，当rGO：FCB质料比为1:2时，催化剂质料活性为贸易Pt/C的2.7倍；Pt单原子层核壳催化剂尚处于根柢切磋阶段，间隔行使化又有肯定间隔；非贵金属化合物催化剂切磋得到肯定发扬，因为活性低于Pt基催化剂，安静性差，尚未得到实践使用；非贵金属催化剂的代表即是过渡金属氮碳（M-N-C）催化剂，长短贵金属催化剂的切磋热门，目前Fe/N/CF催化剂活性仍旧抵达使用水准，但安静性还需进一步查核，Fe/N/CF催化剂是目前最有生气取得使用的。

质子交流膜的效用是固态电解质，传导质子，隔离南北极，具有优秀的离子传导率、化学安静性、呆滞安静性、尺寸安静性，目前常用的是长侧链全氟磺酸膜化学机合式，EW值为1100。电池职能随Nafion膜厚度的改变而改变，跟着膜的减薄，质子传导高，电池职能上升；但膜减薄，呆滞职能降低，气体分泌率增大，化学安静性差，存正在热、呆滞、化学衰减题目。于是膜的繁荣宗旨为复合膜，复合膜取代均质膜，可抬高耐久性，目前最常用的是物理复合的众孔膜，除了巩固呆滞职能以外，还需巩固化学安静性，好比增加自正在基淬灭剂CeO2可抬高膜的化学安静性。巩固复合膜职能睹下表：

高职能超薄巩固复合膜，Gore采用独创ePTFE革新本领，完成质子交流膜7.5um的超薄厚度，正在擢升职能的同时职掌本钱，优化临蓐工艺抵达领域化临蓐，加快试验声明，7.5um的膜氢气分泌量更低，再现出较好的耐久性；静电纺丝纳米纤维巩固复合膜，切磋声明，行使静电纺丝本领制备PEM时，磺酸基团可能沿着纳米纤维陈设酿成继续的离子传输通道，督促质子通报，增大膜的质子传导率；众成效复合膜，采用蒸气诱导相改观法制备众孔SPEEK基膜，SPEEK/PFSA复合膜强度抬高的同时，加强了质子传导，SPEEK/CeO2/PFSAZSM-5原位淬灭自正在基，抬高安静性。

气体扩散层（GDL）由支持层（众孔的碳纸或碳布+憎水剂）和微孔层（导电炭黑+憎水剂）构成，效用是支持催化层，安静电极机合，气液两相通报，电子热量通报，央浼是具备优秀的呆滞强度，适应的孔机合，优秀的导电性，高化学安静性。

GDL的切磋宗旨是革新气体扩散层的导电成效；革新气体扩散层的传质成效，如日本丰田公司的高孔隙机合、低密度的扩散层；革新微孔机合，通过微孔层的妆扮、梯度机合等，革新水约束；自支持GDL，无碳纸支持层的GDL新型机合，目前处于研发阶段。

催化剂、膜、扩散层构成膜电极（MEA），存正在的题目是催化剂使用率低；催化层机合无序；界面通报阻力大。繁荣宗旨是消重Pt用量；省略欧姆、传质极化；抬高大电流职能。

纳米纤维低Pt膜电极，采用静电纺丝本领，催化剂与电解质共纺；Pt/C催化剂与纺丝液纺丝流程产生相别离，催化剂包覆于纤维外观；改革近Pt外观传质，抬高了大电流密度区的职能；Pt-M合金的电子效应，抬高了催化剂安静性。同时完成低Pt用量。

MEA批量临蓐本领，目前国际盛行的繁荣卷对卷涂布量产本领，消重成立本钱，知足产能需求。大连化物所张家港产研院中试产线膜电极涂布车间，采用卷对卷涂布工艺，可知足继续涂布、间歇涂布及条纹涂布等工艺需求，并完成催化层厚度及相仿性、涂布缺陷检测等正在线万平方米职能优异、耐久性强的膜电极CCM产物。

薄金属冲压双极板是目前车用燃料电池常用类型，因其体积、功率、密度可能抵达很高，合头本领搜罗外观管理、流场打算、成型本领、焊接本领、密封本领等。

非贵金属/导电/耐侵蚀外观管理本领，因为燃料电池的侵蚀处境于是要举办外观管理，外观管理层须要采用导电耐侵蚀兼备的涂层，现正在研制的众层复合涂层本领仍旧抵达了美国DOE的产物标的央浼。

微流场打算与优化本领，3D流场打算与传输巩固机理，有用消重传质极化；抬高大电流职能；电堆比功率擢升。

众特质微流道严谨成形本领，针对燃料电池极板成形机合群集特质尺寸特征，筑树薄板质料的微冲压成形本构合连；基于有限元手段，模仿双极板成形工艺，知足严谨尺寸精度、无渣滓应力的央浼。渣滓应力使晶格改变，原子偏离均衡身分处于较高能量形态，即自身自正在能增添，自己电位消重，导致侵蚀偏向增添。

双电极批量临蓐本领，双电极批量临蓐本领也是切磋的热门，搜罗剪板，冲压，焊接，外观管理等工程化本领。

膜电极和双极板构成燃料电池堆，电堆是由若干单电池构成，反响物并联，电串联，起到“质：传输反响物-电：传导电、质子-热：通报反响热”众相通报的效用。

电堆相仿性是确保大功率电堆职能的合头，电堆相仿性影响成分搜罗打算流程（反响流体的分拨，冷却流体的分拨）；成立流程（部件质料制备的均相仿；呆滞加工、拼装的均相仿）；操作流程（部分水淹、部分热门；应力轻松、质料畸变）；处境成分（角落效应；低温、振动）。

电堆拼装工艺，搜罗压力机拼装，低接触电阻，优秀的密封（独立密封元件，双极板集成式，MEA集成式，密封胶粘结式），密封是电堆的首要本领之一。

电堆临蓐线，翌日氢能创立了首个万套级电堆临蓐线，有八条自愿化临蓐线：自愿化双极板冲压；全自愿双极板焊接线；MEA临蓐线；智能电堆拼装线；电堆活化&测试线；MEA测试线；全自愿化燃料电池体例拼装线；燃料电池体例测试线。

督促现有国内焦点质料研发结果的转化与使用，完成产物可控供应；珍视焦点质料批量临蓐工艺与设备的切磋，创立合头质料家当化基地；加快摩登化的打算与检测平台创立，督促产物本领水准的擢升；完好准则楷模编制，指挥燃料电池树模与运营；珍视前沿本领构造，知足将来本领编制更新擢升的需求（高温质子交流膜、非Pt催化剂、碱性会集物膜）。