日本：未來10年有這10項燃料電池技術開發事項
來源：燃料電池干貨 2019-10-30
當前，日本在燃料電池技術、氫能供應鏈和電解制氫三大領域保持全球領先地位。為加快氫能和燃料電池技術發展，日本經濟產業省近期修改了《氫能·燃料電池技術開發開發戰略》，主要課題是高效率、高耐久性和低成本，并提出了車用燃料電池2030年開發目標：續航里程800 km、功率密度6kW/L、耐久性15年以上、催化劑使用量0.1 g/kW、燃料電池系統成本<0.4萬日元/kW、儲氫系統成本10~20萬日元。其中，針對車用質子交換膜燃料電池制定了未來10年10項技術開發事項。
低鉑催化劑、非鉑催化劑及低自由基吸附催化劑開發
最新《氫能·燃料電池技術開發戰略》里提出到2030年貴金屬催化劑的使用量降至0.1 g/kW。燃料電池堆關鍵材料成本高昂是造成燃料電池汽車難以普及的重要原因。燃料電池催化劑技術開發的長期目標是貴金屬催化劑用量達到傳統內燃機尾氣凈化器水平(<0.05 g/kW)。針對目前商用催化劑的高成本問題，降低貴金屬催化劑使用量和提高活性是關鍵，因此開發低鉑載量和非鉑系催化劑是目前的重點。質子交換膜燃料電池低鉑載量催化劑技術實現途徑主要有Pt-M催化劑、Pt核殼催化劑、Pt單原子層催化劑。比如Pt-M催化劑的應用代表-豐田汽車公司在其2014年推出的Mirai燃料電池汽車上采用的PtCo合金催化劑。非鉑催化劑包括過渡金屬氧化物、氮化物及氮氧化物、碳氮化物、硫族化物、N摻雜碳材，以及M-N/C催化劑等。就目前非貴金屬催化劑發展狀況而言，M-N/C催化劑呈現出較為客觀的催化性能，成為最有可能替代Pt-基催化劑做電解還原O2的一類催化劑(M主要是Fe或Co)。此外，電化學反應過程中間產物自由基·OH易吸附在催化劑表面，阻礙反應高效率進行；自由基進入質子膜，引起電解質膜化學衰減。
電解質膜高離子傳導率、超薄化、低氣體滲透率和高耐久性
大規模應用于車用燃料電池的全氟磺酸質子交換膜由聚四氟乙烯主鏈(疏水)和磺酸端基(親水)側鏈組成，主要作用是分割燃料和氧化劑、傳導質子。某種程度上，燃料電池輸出性能取決于質子交換膜中氫離子的傳導效率(離子傳導率)。超薄膜降低質子傳導阻力，歐姆極化減少，性能提升；超薄膜增加陰陽極兩側水分濃度梯度，增加反擴散，易于水管理(自增濕)。由于全氟磺酸質子交換膜內部存在微孔傳輸通道，超薄膜加速了氣體滲透。氣體透過膜在催化劑作用下直接反應，只產生熱量和水，燃料利用率低，對燃料電池性能、效率和耐久性有較大影響，嚴重甚至有安全問題。此外，車用燃料電池歷經啟停、加減速和怠速等復雜工況，質子膜長時間運行會出現機械損傷和化學降解，降低耐久性。
氣體擴散層低電阻、高氣體擴散性和排水性
質子交換膜氣體擴散層由基底層和微孔層組成，起支撐催化層、傳質、導熱和導電功能。基底層通常由疏水處理的碳紙或碳布構成，微孔層通常由導電炭黑和PTFE(憎水劑)組成。微孔層通常是為了改善基底層的孔隙結構在其表面制作的一層碳粉層，作用為降低催化層和基底層之間接觸電阻、水氣再分配、水管理等。理想的氣體擴散層應具備三個條件：良好的導電性、良好的透氣性和排水性。如豐田汽車公司為減少燃料電池大負荷下的傳質極化，開發量高孔隙率結構和低密度的氣體擴散層，氣體擴散能力比原來提高2倍，大大促進燃料電池性能提升。
分離器高耐久性、高電導率、高排水性和良好的可成形性
雙極板(或分離器)是燃料電池堆的關鍵組成部分，須具備良好的耐腐蝕性、高導電性以及優異可成形性。金屬雙極板具備良好的導電傳熱、高機械強度、氣密性優等材料屬性，兼具加工成形簡單、成本低等優點。但耐腐處理和高導電性是金屬雙極板需要處理的兩大問題，嚴重關系到燃料電池的性能和耐久性。此外，雙極板是膜電極和外界的連接通道，兼顧氣體分配和排水作用。結構設計和表面涂層的親疏水性處理關系到膜電極中電化學反應產生的水能否及時排出。最后，超薄化金屬基材和精密成形加工對金屬的可成形性提出了高要求。豐田汽車公司提到，氫燃料電池流場板金屬材料在成形過程中延伸須超過60%，延伸性取決于材料的延伸率，鈦板材較難成形(延伸率30%左右)。豐田紡織為Mirai開發了多種沖壓機器和步驟(multiple pressing machines and steps)。為防止不匹配(分離器由多個模具制成)，將模具尺寸精度控制在±1 mm。
密封件低氣體滲透性、低冷卻劑滲透性和高生產節拍
密封件在燃料電池幾大部件(材料)里成本最低，卻密切關系到燃料電池的可靠性和安全性。密封不良造成氣液外漏和氫空互竄，帶來燃料電池失效和安全隱患。反應氣和冷卻液既可以通過密封圈與接觸面之間界面泄露，也可以從密封圈內部滲透泄露。燃料電池對密封件提出的第一個關鍵要求便是高氣密性和高冷卻液密封性，其次為耐酸耐濕耐熱性、低離子溶出量、絕緣性等。此外，隨著高可靠性一體化注塑密封方案發展(膜電極和雙極板用液體硅膠一體化注塑)，燃料電池用密封件的生產節拍成為降低成本的重要一環(一體化注塑成形方案中，硅膠必須等待膜電極和雙極板就位以后才能開始注塑，必須考慮注塑時間)。
高溫條件下高性能催化劑、碳載體和電解質膜開發
質子交換膜燃料電池工作溫度提升可以帶來催化劑活性提高(電極反應動力系數提高)、氣體擴散性增強(因堵水弱或無堵水)、散熱壓力小(冷卻系統簡化)、催化劑抗毒性強(減少CO在催化劑表面吸附)等積極效應。NEDO(日本新能源產業技術綜合開發機構)發布的2040年燃料電池目標計劃中提出到2040年燃料電池最大工作溫度達120℃。質子交換膜的工作溫度往往決定了燃料電池的工作溫度。高溫運行對電解質膜、催化劑和碳載體提出了更高的要求。比如，傳統的PFSA膜以水作為質子傳導媒介，當電池溫度超過100℃，膜內水分蒸發造成質子傳導性能下降；高溫易造成膜結構改變和化學降解，機械性能也有所降低；提高質子交換膜在高溫條件下的質子傳導性能成為研究重點。
極端環境下性能和耐久性相關技術開發
車用質子交換膜燃料電池除了經歷啟停、高電位、電壓循環和大電流載荷等復雜車載工況外，還須經受高原(低氣壓)、高寒(低溫啟動)、高溫和高污染等極端環境。極端環境不僅短暫性影響燃料電池輸出性能，嚴重可影響耐久性。零度以下低溫是燃料電池在全球范圍內普及首當其沖的極端環境，低溫啟動短期內造成電化學反應產物水結冰阻礙反應氣傳質，造成濃差極化驟增，性能下降；長期來看，結冰產生質子膜破裂、催化劑脫落和多孔媒介失效等。富含顆粒物和有害成分的高污染環境對車用燃料電池一方面造成短期性能損失，另一方面傳感器、管路和空壓機等空氣系統零部件表面積聚的細粉塵影響部件功能，鹽和有害氣體引起陰極催化劑中毒，降低催化劑活性，導致燃料電池效率降低，造成永久性損害。
燃料電池關鍵材料連續生產技術開發
燃料電池的兩大關鍵部件是膜電極組件和雙極板，前者由質子交換膜、催化層和氣體擴散層組成。實驗室成果的工業化放大須解決一致性和成本等多項課題，實驗室制備水平到量產水平需要攻克批量生產技術。如商用燃料電池催化劑量產技術需要突破：催化劑納米顆粒尺寸控制(確保活性比表面積)、提升碳載體穩定性(確保耐久性)、反應條件均一性(確保前后批次穩定性)。未來十年，日本關于燃料電池量產技術開發事項有電極高速涂布技術、雙極板高速成形技術、高速一體化密封技術、電解質膜量產技術、催化劑量產技術和碳載體量產技術等。目前，日本在燃料電池關鍵材料方面，質子交換膜有旭化成、旭硝子和氯工程等；催化劑有TKK、田中貴金屬、日清坊等公司；氣體擴散層有Tory、JSR等公司；雙極板有神戶制剛(板材)、豐田紡織(加工)等公司。
活化燃料電池的能量管理系統開發
質子交換膜燃料電池在使用前，要對其進行活化，使性能達到使用標準，之后才進入使用階段，否則電池性能發揮不出來，單節性能偏低導致無法使用。膜電極的活化過程是電解質膜加濕，電子、質子、氣液傳輸通道建立和電極結構優化的復雜過程。盲目縮短活化時間，燃料電池性能無法達到要求。通常，燃料電池活化采用連續加載方法，活化時間長，影響生產節拍，生產成本也增加。研究活化機理和活化影響因素，探索高效活化工藝和能量管理系統是加快燃料電池堆生產節拍、降低成果的重要一環。
性能及耐久性加速劣化試驗標準及劣化機制建立
作為燃料電池的關鍵技術，耐久性是決定車載燃料電池商用化的關鍵因素之一。燃料電池耐久性與構成其結構的每個組件相關-質子交換膜、催化層、氣體擴散層和雙極板。由于耐久性測試的高成本，通常采用加速老化試驗對燃料電池進行耐久新評估。加速老化試驗通常由開路、低電流、中電流和高電流等階段組成。合理的耐久性劣化測試工況對評估燃料電池壽命至關重要。此外，為更好開發燃料電池控制策略和關鍵材料，闡述劣化機制對于主動提高燃料電池耐久性顯示出事半功倍的效果。豐田汽車公司和日本精密陶瓷中心(JFCC)開發了一項最新的監測技術，該技術可以實時監測質子交換膜燃料電池電化學反應過程中鉑納米顆粒的變化過程，該項技術已經被應用在Mirai改進型和豐田下一代燃料電池技術上。
