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    干貨技術 | 燃料電池的骨骼和血管——雙極板

    發布日期: 2021-09-27
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    燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的裝置,又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。

    質子交換膜燃料電池(PEMFC)是燃料電池的一種,使用氫氣作為燃料的PEMFC和電解水設備相似。只不過在電解水設備中,外加電源將水電解,產生氫和氧,而在PEMFC中,氫和氧通過電化學反應生成水,產生電能。

    PEMFC中完成電化學反應的小零件單元稱為單電池,由陽極板、膜電極(MEA)、陰極板組成。單電池的使用電壓為0.6-0.85V,通常需要將多節單電池串聯提高PEMFC的輸出電壓。由單電池重復堆疊形成的集成部件稱為燃料電池電堆。

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    圖1 燃料電池電堆、單電池、雙極板和MEA之間的關系示意圖

    (電堆、單電池和MEA示意圖取自網絡)

    雙極板的功能

    雙極板(Bipolar plate,以下簡稱BPP)是燃料電池的一種核心零部件,主要作用為支撐MEA、提供氫氣、氧氣和冷卻液流體通道并分隔氫氣和氧氣、收集電子、傳導熱量。形象的說,如果把燃料電池電堆看作人體,BPP就相當于人體的骨骼和血管。

    // 支撐MEA。MEA主要由質子交換膜(MEM)、催化劑層(CL)、氣體擴散層(GDL)等部件組成,常規厚度0.4~0.5mm,沒有足夠的自支撐剛度和強度。而與之相對BPP通常是由剛性材料制成,零件的抗壓強度高于MEA,可以起到支撐MEA的作用。形象的說,BPP像電堆的“骨骼",支撐著電堆的軟組織“MEA"。

    //通過設計與加工的流道,可將流體均勻分配到電極的反應層進行電化學反應。BPP表面有使反應氣體均勻分布的通道,稱為流場,確保反應介質在整個電極各處均勻分布。形象的說,BPP同時是電堆的血管,將燃料(氫氣)和氧化劑(氧氣)輸送到電堆的組織“MEA",使得氫氣和氧氣在電極發生反應,產生電能。BPP的公用管道像人體的主動脈和主靜脈,將氫氣和氧氣輸送到電堆的每個單電池。BPP的流道像人體的毛細血管,將氫氣和氧氣輸送到單電池電極的每一個角落,使他們能夠充分反應。

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    圖2 人體血管和燃料電池電堆U型進出氣示意圖

    (人體血管示意圖取自網絡)

    //分隔氫氧,阻止互相混合。BPP需要阻隔氣體,流體腔之間通常無孔結構。

    //收集、傳導電流。BPP需要是電的良導體,避免大功率燃料電池運行時電阻過大,產生過量的廢熱。

    //傳導熱量。BPP需要是熱的良導體,以確保電池在工作時溫度分布均勻,使電池的廢熱順利排出。

    雙極板的結構

    捷氫科技的主打產品-PROME M3H電堆采用金屬雙極板,結構為“一片兩極三場"。PROME M3H電堆采用的金屬雙極板為薄層金屬板沖壓成型,形成了陽極板外側的氫氣流場、陰極板外側的空氣流場。將“兩極"-陽極板和陰極板通過焊接方式連接,陽極板和陰極板拼合后內部形成冷卻液流場,這樣“一片"金屬雙極板就擁有了“三場"(氫氣流場、空氣流場、冷卻液流場)。

    常規BPP主要可以分為四個功能區:公用管道區、分配區、流場區、密封區。如下圖所示,紅色線框內為公用管道區,橙色線框內為分配區,綠色線框內為流場區,公用管道區及流場區的外圍為密封區。

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    圖3 BPP功能區示意圖(CN 209804806)

    公用管道區的主要作用是形成氫氣、空氣、冷卻液的供應通道。根據流體介質的流量計算、設計獲得公用管道區的面積和形狀,既要BPP面積利率用大化,又要減小流體介質在大功率電堆模塊分配過程中各單電池之間的流量差異。

    分配區是反應氣體由公用管道區進入流場區的過渡區域,其主要作用為通過導流使反應氣進入流場區時在各流道內分配均勻,從而使MEA活性區電化學反應均勻。同時,水腔分配區對冷卻液導流,使冷卻液進入冷卻流場各流道的流量均勻,達到散熱均勻。

    BPP流場區與MEA活性區對應,是參與反應的重要區域。BPP流場區的設計目標是使得反應氣順利進入MEA,減小傳質阻力;利于反應生成水的順利排出,避免水淹;BPP自身的體電阻、與GDL的接觸電阻低。

    流場結構決定氫氣、氧氣和水在流場內的流動狀態。對于大面積燃料電池,流場的作用顯得尤為重要, MEA活性區面積放大過程中流場設計不合理往往是導致電池性能下降的主要原因。研發人員設計和開發了多種結構的流場結構,如點狀流場(如US4769297)、多孔流場(如EP0817297)、蛇型流場(如International Journal of Hydrogen Energy 2007(32)4489)、組合流場結構(如EP2297808)等。

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    圖4 常見的流場結構

    密封區主要作用是使用密封件,在電堆組裝后與MEA組件配合實現“三場“之間的密封。密封區的設計要與密封件的結構、MEA組件的結構相互配合,保證在燃料電池裝配條件下密封件有足夠的壓縮量保證密封性能,同時保證MEA活性區受力均勻,活性區的裝配力設定需要兼顧接觸電阻和GDL壓縮變形量。

    雙極板的材料與制造

    目前常見的BPP材料有石墨、復合材料和金屬。

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    圖5 常見的制造技術

    (取自International Journal of Hydrogen Energy 2011 (36) 12512)

    石墨材料

    石墨是熱和電的良導體,耐腐蝕,密度較低。目前主要有人造石墨和柔性石墨用于燃料電池領域。人造石墨機加工制造BPP設計靈活、迭代周期短,但存在一定不足。

    // 石墨化的溫度通常高于2500℃,需按嚴格的升溫程序進行,以避免石墨板基材收縮和彎曲等變形。在此基礎上機加工對機械的精度要求較高,BPP流場的結構越細密,結構越復雜,切削加工周期越長,工藝成本占比高。

    // 人造石墨具有脆性,實體厚度一般需要大于0.3mm,這一點限制了相應電堆體積功率密度的提升。大流道面積的薄人造石墨零件對運輸、裝配工藝要求較高。

    // 人造石墨成型后是多孔材料,應用中需要封閉孔結構,封閉孔材料的水熱穩定性、封閉孔材料和石墨的結合強度、封閉孔的工藝對人造石墨的氣密耐久性有重要影響。

    柔性石墨基材可以模壓成型、柔韌性好,一定程度規避了人造石墨基材的不足,有助于降低批量生產成本。但柔性石墨來自膨脹石墨,膨脹石墨是由天然石墨鱗片經插層、水洗、干燥、高溫膨化得到的一種疏松多孔的蠕蟲狀物質。柔性石墨中金屬和非金屬雜原子雜質含量高于人造石墨,需要提純大幅降低雜質含量。類似于人造石墨,封閉孔材料的水熱穩定性、封閉孔材料和石墨的結合強度、封閉孔的工藝對柔性石墨的力學耐久性有重要影響。

    復合材料

    高分子復合物的密度小,通過不同的加工工藝能被澆鑄成復雜形狀。但樹脂類材料導電性能較差,用于BPP制造需要添加導電物質,可以選用石墨、碳纖維、碳納米管、石墨烯等。根據結構不同,復合材料雙極板可分為金屬基和碳基兩種。

    金屬基復合雙極板是采用薄金屬板或其他高強度的導電板作為基板,MEA組件邊緣與基板之間采用膠黏結,以焙燒和注塑法制備的石墨板、有孔薄炭板或石墨油氈作流場板。金屬基復合雙極板結合了石墨和金屬的優點,具有質量輕、強度高、耐腐蝕性和厚度小等特點,但它的缺點是多層結構,工藝復雜造成加工工藝成本偏高。

    碳基復合雙極板以碳材料為基體,樹脂為粘結劑。將兩者混合放置于模具中,通過熔融、擠壓、模壓或注塑等工藝制備。碳基復合雙極板具有碳材料的耐腐蝕性,優異的導電性和導熱性,可以一次成型,降低了生產成本,適合大規模生產,但零件制造不僅需要平衡材料體電阻、接觸電阻、氣密性、力學性能多者的關系,而且面臨大面積流場高精度制作和高平面度要求等實際問題。

    金屬材料

    金屬材料具有機械強度高、體相電導和熱導優良,容易制成薄板并沖壓加工成型的特點,滿足燃料電池對高體積比功率雙極板的諸多要求,但是其大規模應用還需要實現大面積流場沖壓制作高精度流道、材料表面能在燃料電池操作條件下具有高耐腐蝕能力和低界面接觸電阻。

    隨著燃料電池技術的逐漸成熟,其在交通運輸系統的商業化應用呈現逐漸加速發展的態勢。電堆的性能與功能、耐久性和成本是燃料電池商業化的關鍵挑戰。

    作為燃料電池的骨骼和血管,雙極板起著至關重要的作用??陀^的說,目前沒有哪一種材料和制造工藝能夠完mei適用于任意場合,選用哪一種技術路線主要取決于相應系統級產品的應用場景、電壓工況特性和客戶成本需求,市場愿意接受哪種技術路線的大規模應用。

    對雙極板設計開發人員來說,讓零部件產品在不同階段實現性能與功能、耐久性、達到技術預期條件下成本更低,腳踏實地提升每個細分領域的設計和工藝,才能持續推動雙極板朝著高性能與功能、長耐久、低成本的方向發展,更好的推進大功率燃料電池的商業化進程。

    文章來源:第一元素網--捷氫科技   侵刪





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