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    國內外燃料電池電堆及組件全景圖譜

    發布日期: 2019-07-10
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    電堆是發生電化學反應的場所,也是燃料電池動力系統核心部分,由多個單體電池以串聯方式層疊組合構成。將雙極板與膜電極交替疊合,各單體之間嵌入密封件,經前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢,即構成燃料電池電堆。

    電堆工作時,氫氣和氧氣分別由進口引入,經電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板,經雙極板導流均勻分配至電極,通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學反應。

    圖1氫燃料電池電堆構成

    國外乘用車廠大多自行開發電堆,并不對外開放,例如豐田、本田、現代等。也有少數采用合作伙伴的電堆來開發發動機的乘用車企業,例如奧迪(采用加拿大巴拉德定制開發的電堆)和奔馳(采用奔馳與福田的合資公司AFCC的電堆)。乘用車因為空間限制,目前只能采用高壓金屬板電堆的技術方案。

    目前國外可以單獨供應車用燃料電池電堆的企業主要有加拿大的Ballard和Hydrogenics,歐洲和美國正在運營的燃料電池公交車絕大多數采用這兩家公司的石墨板電堆產品,已經經過了數千萬公里、數百萬小時的實車運營考驗,這兩家加拿大電堆企業都已經具備了一定產能,Ballard還與廣東國鴻設立了合資企業生產9SSL電堆。

    此外還有一些規模較小的電堆開發企業,例如英國的Erlingklinger,荷蘭的Nedstack等,在個別項目有過應用,目前產能比較有限。

    國內能夠獨立自主開發電堆并經過多年實際應用考驗的只有大連新源動力和上海神力兩家企業,大連新源動力采用的是金屬板和復合板的技術路線,與上汽合作,開發了榮威950乘用車和上汽V80客車。上海神力成立于1998年,是*yi家專業的燃料電池電堆研發生產企業,目前兩家都建成了燃料電池電堆中試線,正處于從小批量到產業化轉化的關鍵階段。另外有一些新興的燃料電池電堆企業,例如弗爾塞、北京氫璞、武漢眾宇等,也開發出燃料電池電堆樣機和生產線,正處于驗證階段。

    表1電堆廠家及產品性能

    1雙極板

    雙極板是電堆的核心結構零部件,起到均勻分配氣體、排水、導熱、導電的作用,占整個燃料電池60%的重量和~20%的成本,其性能優劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命。雙極板材料目前主要是石墨雙極板和金屬雙極板,豐田Mirai、本田Clarity和現代NEXO等乘用車均采用金屬雙極板,而商用車一般采用石墨雙極板。

    圖2燃料電池雙極板

    石墨基雙極板的主流供應商有美國POCO、美國SHF、美國Graftech、日本Fujikura RubberLTD、日本Kyushu Refractories、英國Bac2等。石墨雙極板已實現國產化,國產廠商主要有上海神力、上海弘楓、杭州鑫能石墨、江陰滬江科技、淄博聯強碳素材料、上海喜麗碳素等公司。

    目前國外金屬雙極板主要供應商有瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國treadstone等。國內還處于研發試制階段,上海佑戈、上海治臻新能源、新源動力等企業研制出車用燃料電池金屬雙極板,并嘗試在電堆和整車中實際應用。復合雙極板的研發目前還比較少,國內僅有大連新源動力和武漢喜瑪拉雅等企業有所涉及,實際應用情況還未見報導。

    表2雙極板主要廠家及產品性能

    2膜電極

    膜電極是電堆的核心,類似于電腦里的CPU,決定了電堆性能、壽命和成本的上限。膜電極組件由質子交換膜、催化劑和氣體擴散層(氣體擴散層)組成。國外膜電極的供應商主要有3M、Johnson Matthey、Gore、Greenerity(Toray)、Kolon、Ballard等。豐田、本田等乘用車企業自主開發了膜電極,但不對外銷售。國產膜電極性能與水平接近,但專業特性上(例如鉑載量、啟停、冷啟動、抗反極等)與水平還有一定差距。批量化生產工藝和裝備差距較大,國外已實現Roll-to-Roll的連續化生產。隨著國內市場的快速增長,國內工程化和質量控制的差距有望進一步縮小。

    圖3膜電極示意圖及實物圖

    國內專業的膜電極供應商主要是武漢理工新能源,其產品大部分出口到美國的PlugPower公司,在國內也有不少車用的應用。大連新源也自主生產膜電極,主要是自用為上汽的發動機配套。國內還有昆山桑萊特、南京東焱氫能、武漢喜馬拉雅、蘇州擎動等企業也開發了膜電極。

    表3膜電極生產廠家及產品性能

    3質子交換膜

    質子交換膜是質子交換膜燃料電池(PEMFC)的核心元件,以全氟磺酸膜為主,目前國產化進程提速。質子交換膜目前主流趨勢是全氟磺酸增強型復合膜,質子交換膜逐漸趨于薄型化,由幾十微米降低到十幾微米,降低質子傳遞的歐姆極化,以達到更高的性能。國外企業有美國Gore公司,科慕(以前的杜邦)、3M、日本的旭化成等,國內能夠批量化供應只有山東東岳一家,山東東岳的膜已經進入了奔馳的供應鏈體系。

    圖4質子交換膜

    表4國內外質子交換膜基本參數

    4催化劑

    催化劑是燃料電池的關鍵材料之一,目前燃料電池中常用催化劑是Pt/C,即由Pt的納米顆粒分散到碳粉(如XC-72)載體上的擔載型催化劑。

    圖5Pt/C催化劑

    受到資源和成本方面的限制,目前Pt的用量已經由10年前的0.8~1g/kW降低到目前的0.1~0.4g/kW。降低燃料電池電堆Pt用量的近期目標(2020年)是下降到0.1g/kW左右;長期目標是催化劑用量達到傳統內燃機尾氣凈化器貴金屬用量水平(<0.05g/kW)。

    燃料電池催化劑的國外生產商主要有英國JohnsonMatthery,德國BASF,日本Tanaka,日本日清紡,比利時Umicore等;國內有貴研鉑業,武漢喜馬拉雅,中科中創、蘇州擎動動力、昆山桑萊特等。

    表5催化劑生產廠家及產品性能

    5氣體擴散層

    氣休擴散層(GDL)位于流場和膜電極之間,主要作用是為參與反應的氣體和產生的水提供傳輸通道,并支撐膜電極。因此,GDL必須具備良好的機械強度、合適的孔結構、良好的導電性、高穩定性。

    圖6氣體擴散層(GDL)

    目前燃料電池生產商多采用日本東麗、加拿大Ballard、德國SGL等廠商的碳紙產品。東麗占據較大的*,我國對碳紙的研發主要集中于中南大學、武漢理工大學等高校,國內江蘇天鳥具備的碳纖維織物的生產能力,但由于燃料電池市場太小,尚無量產計劃。

    表6國內外碳紙基本性能對比

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