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    燃料電池電堆及關鍵零部件技術特點分析

    發布日期: 2019-07-24
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    隨著龐青年的水氫發動機在網上熱炒,整個社會對氫氣和相應的氫燃料電池汽車十分關注,氫能和燃料電池汽車本來是一環保無污染、效率高的能源利用方向,但經過這種炒作和抹黑行為后,相信在一定程度上對整個氫能發展產生了歷史倒退作用。

    本篇內容主要是總結分析了車用燃料電池電堆和關鍵零部件的技術特點。

    1、什么是燃料電池

    燃料電池不同于常規電池,有點類似于內燃機,但又有所不同。

    內燃機燒油,是將燃料的化學能轉化為熱能,熱能在轉化為機械能,來驅動汽車。

    燃料電池是直接將氫燃料和空氣中的氧氣不經過燃燒,而是經過電化學反應直接由化學能轉換成電能,其余一部分通過熱量釋放,不產生任何污染氣體,生成的是水,效率高,可以達到60%以上。

     

    2、車用燃料電池(PEMFC)關鍵的零部件

    燃料電池有多種技術路線,早商業化的是堿性燃料電池,還包括磷酸燃料電池,熔融碳酸鹽燃料電池、固態氧化物燃料電池。各種燃料電池的特點如下表:   

                 

    考慮到PEMFC具有電解質無腐蝕性,不需要純氧,工作溫度低、啟動時間短的優點,所以車用的燃料電池目前是PEMFC。

    對于PEMFC來講,核心的零部件包括膜電極(催化劑、質子交換膜、氣體擴散層)、雙極板、端板、密封件等。

    3、雙極板(bipolar plate)

    雙極板的作用是連接每一個電池的陰極和陽極,輸送燃料氫氣和空氣,電流收集和傳導,支撐電堆和MEA,排出反應產生的熱量。排出反應中產生的水。

    目前雙極板分為石墨雙極板、金屬雙極板和復合雙極板。

    石墨板,通過石墨板機械加工,優點是導電性高,導熱性好,耐腐蝕性強,缺點是易脆、組裝困難,厚度不易做??;石墨化時間長,機械加工難,價格昂貴。

    石墨板是將碳粉或石墨粉與可石墨化的樹脂相混合,機壓成型后,在高溫下進行石墨化,然后將石墨板進行浸漬封孔,在用數控機床加工出氣體流道。

    高溫石墨化處理和氣體流道的機械加工是造成雙極板價格昂貴的主要原因。

    除機械加工外,大規模生產可采用模壓,模壓模具成本高,所以多用于大規模生產。

    石墨雙極板具有明顯的缺點:

    • 石墨板的石墨化溫度較高,不低于2500攝氏度,需要按照嚴格的升溫程序,所以耗時較長;

    • 機械加工過程緩慢,周期較長,對機械的精度要求高,造成石墨板的成本較高

    • 石墨易碎,所以組裝困難

    • 石墨是多孔材料,所以需要較大的厚度才能把反應氣體分離開來

    金屬雙極板,通過不銹鋼、鈦合金、鋁合金等沖壓成形,具有良好的導電、導熱性能,機械強度高,高阻氣性,非常適合大規模生產。缺點是易腐蝕,需要表面涂層。金屬雙極板是車用燃料電池小型化為關注的關鍵部件。金屬雙極板流場設計、成形,表面涂層技術使金屬雙極板研究的重要方向。

    金屬雙極板要解決的兩個難題:1)防止在富氧環境下,金屬表面發生鈍化導致接觸電阻增加;2)防止在工作范圍內,酸性條件下雙極板表面腐蝕現象。

    金屬雙極板采用沖壓-焊接-涂層-密封測試等步驟。未來要做到金屬雙極板50塊錢/片,反應面積300平方毫米/片,一個電堆300片,功率在80-120kW,成本在1.5萬元/堆。

    4、膜電極

    目前國內外技術現狀,國外可以做到每平方厘米1-1.5W的功率密度,額定電流密度達到1.5-2./平方厘米,鉑載量在0.2-0.3mg/平方厘米。操作溫度可以達到85-90攝氏度,操作濕度可以保證陰陽極不增濕。

    膜電極發展難點:

    1)在低鉑載量、大電流操作條件下陰極氧傳輸極化

    2)膜電極性能高度一致性

    3)優化水管理,實現膜電極內部水循環,適應無增濕條件下運行

    4)實現抗反極、冷啟動等特性。

    5、催化劑的研究進展及難點

    目前國外催化劑體系采用鉑的合金,載體體系采用改性炭黑,實心碳球,高分子材料,催化劑的耐久度達到了5000小時以上,催化劑載體的耐久度達到了5000小時以上,實現了公斤級別的制備工藝。 

    催化劑未來需要實現開發適用于工業生產的合金催化劑體系,實現公斤級催化劑生產工藝,提高合金催化劑的穩定性,解決過渡金屬離子對質子膜的污染問題。提高合金催化劑質量比活性的同時需保證較高的化學比表面。開發耐腐蝕的催化劑載體。優化載體微結構,提高催化劑利用率。

    6、質子交換膜技術進展及難度

    目前國外質子交換膜能夠做到小于10微米的厚度,化學穩定性大于5000小時,機械穩定性大于5000小時,高操作溫度95攝氏度,一致性好。

    未來需要開發更薄更穩定的質子交換膜。

    提高質子交換膜的操作溫度。

    開發新的單體體系,提高導電率。

    7、氣體擴散層

    目前氣體擴散層厚度可以做到100-150微米,實現卷對卷涂布。

    8、MEA制造技術進展

    MEA制造技術已經發展到了三代

    代制造技術GDE,是催化劑涂布在GDL上,然后與質子交換膜熱壓成形。

    第二代技術是CCM,是90年代初實現的轉?。╠ecal)方法,將催化劑涂層涂布在離型基材上,然后與質子交換膜熱壓,將催化劑層轉印到質子膜上。催化劑噴涂到質子交換膜上,非連續化,將催化劑涂布到質子交換膜上,卷對卷方式,單面涂布。

    第三代技術是有序化膜電極,是3M開發,現在放棄了。

    攻關難點是開發成熟的膜電極涂布設備、開發膜電極涂布在線質量控制系統、開發膜電極涂布漿料、制備工藝。

    9、MEA封裝技術及難點

    進展,巴拉德是將電堆密封圈以液體注塑成型的方式密封到MEA四周,實現邊框、密封線

    豐田是將膜電極封裝到極板上,實現膜電極、極板一體化

    攻關難點,需要開發全自動封裝設備,開發邊框、密封線一體化封裝方式。

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