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TECHNICAL ARTICLES隨著龐青年的水氫發(fā)動(dòng)機(jī)在網(wǎng)上熱炒,整個(gè)社會(huì)對(duì)氫氣和相應(yīng)的氫燃料電池汽車十分關(guān)注,氫能和燃料電池汽車本來是一環(huán)保無污染、效率高的能源利用方向,但經(jīng)過這種炒作和抹黑行為后,相信在一定程度上對(duì)整個(gè)氫能發(fā)展產(chǎn)生了歷史倒退作用。
本篇內(nèi)容主要是總結(jié)分析了車用燃料電池電堆和關(guān)鍵零部件的技術(shù)特點(diǎn)。
1、什么是燃料電池
燃料電池不同于常規(guī)電池,有點(diǎn)類似于內(nèi)燃機(jī),但又有所不同。
內(nèi)燃機(jī)燒油,是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能,熱能在轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,來驅(qū)動(dòng)汽車。
燃料電池是直接將氫燃料和空氣中的氧氣不經(jīng)過燃燒,而是經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)直接由化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能,其余一部分通過熱量釋放,不產(chǎn)生任何污染氣體,生成的是水,效率高,可以達(dá)到60%以上。
2、車用燃料電池(PEMFC)關(guān)鍵的零部件
燃料電池有多種技術(shù)路線,早商業(yè)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(tài)氧化物燃料電池。各種燃料電池的特點(diǎn)如下表:
考慮到PEMFC具有電解質(zhì)無腐蝕性,不需要純氧,工作溫度低、啟動(dòng)時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn),所以車用的燃料電池目前是PEMFC。
對(duì)于PEMFC來講,核心的零部件包括膜電極(催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)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(gè)電池的陰極和陽極,輸送燃料氫氣和空氣,電流收集和傳導(dǎo),支撐電堆和MEA,排出反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。排出反應(yīng)中產(chǎn)生的水。
目前雙極板分為石墨雙極板、金屬雙極板和復(fù)合雙極板。
石墨板,通過石墨板機(jī)械加工,優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)電性高,導(dǎo)熱性好,耐腐蝕性強(qiáng),缺點(diǎn)是易脆、組裝困難,厚度不易做薄;石墨化時(shí)間長(zhǎng),機(jī)械加工難,價(jià)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(jī)壓成型后,在高溫下進(jìn)行石墨化,然后將石墨板進(jìn)行浸漬封孔,在用數(shù)控機(jī)床加工出氣體流道。
高溫石墨化處理和氣體流道的機(jī)械加工是造成雙極板價(jià)格昂貴的主要原因。
除機(jī)械加工外,大規(guī)模生產(chǎn)可采用模壓,模壓模具成本高,所以多用于大規(guī)模生產(chǎn)。
石墨雙極板具有明顯的缺點(diǎn):
石墨板的石墨化溫度較高,不低于2500攝氏度,需要按照嚴(yán)格的升溫程序,所以耗時(shí)較長(zhǎng);
機(jī)械加工過程緩慢,周期較長(zhǎng),對(duì)機(jī)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(yīng)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(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,機(jī)械強(qiáng)度高,高阻氣性,非常適合大規(guī)模生產(chǎn)。缺點(diǎn)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(guān)注的關(guān)鍵部件。金屬雙極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)、成形,表面涂層技術(shù)使金屬雙極板研究的重要方向。
金屬雙極板要解決的兩個(gè)難題:1)防止在富氧環(huán)境下,金屬表面發(fā)生鈍化導(dǎo)致接觸電阻增加;2)防止在工作范圍內(nèi),酸性條件下雙極板表面腐蝕現(xiàn)象。
金屬雙極板采用沖壓-焊接-涂層-密封測(cè)試等步驟。未來要做到金屬雙極板50塊錢/片,反應(yīng)面積300平方毫米/片,一個(gè)電堆300片,功率在80-120kW,成本在1.5萬元/堆。
4、膜電極
目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀,國(guó)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(dá)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(dá)到85-90攝氏度,操作濕度可以保證陰陽極不增濕。
膜電極發(fā)展難點(diǎn):
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(yōu)化水管理,實(shí)現(xiàn)膜電極內(nèi)部水循環(huán),適應(yīng)無增濕條件下運(yùn)行
4)實(shí)現(xiàn)抗反極、冷啟動(dòng)等特性。
5、催化劑的研究進(jìn)展及難點(diǎn)
目前國(guó)外催化劑體系采用鉑的合金,載體體系采用改性炭黑,實(shí)心碳球,高分子材料,催化劑的耐久度達(dá)到了5000小時(shí)以上,催化劑載體的耐久度達(dá)到了5000小時(shí)以上,實(shí)現(xiàn)了公斤級(jí)別的制備工藝。
催化劑未來需要實(shí)現(xiàn)開發(fā)適用于工業(yè)生產(chǎn)的合金催化劑體系,實(shí)現(xiàn)公斤級(jí)催化劑生產(chǎn)工藝,提高合金催化劑的穩(wěn)定性,解決過渡金屬離子對(duì)質(zhì)子膜的污染問題。提高合金催化劑質(zhì)量比活性的同時(shí)需保證較高的化學(xué)比表面。開發(fā)耐腐蝕的催化劑載體。優(yōu)化載體微結(jié)構(gòu),提高催化劑利用率。
6、質(zhì)子交換膜技術(shù)進(jìn)展及難度
目前國(guó)外質(zhì)子交換膜能夠做到小于10微米的厚度,化學(xué)穩(wěn)定性大于5000小時(shí),機(jī)械穩(wěn)定性大于5000小時(shí),高操作溫度95攝氏度,一致性好。
未來需要開發(fā)更薄更穩(wěn)定的質(zhì)子交換膜。
提高質(zhì)子交換膜的操作溫度。
開發(fā)新的單體體系,提高導(dǎo)電率。
7、氣體擴(kuò)散層
目前氣體擴(kuò)散層厚度可以做到100-150微米,實(shí)現(xiàn)卷對(duì)卷涂布。
8、MEA制造技術(shù)進(jìn)展
MEA制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了三代
代制造技術(shù)GDE,是催化劑涂布在GDL上,然后與質(zhì)子交換膜熱壓成形。
第二代技術(shù)是CCM,是90年代初實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)?。╠ecal)方法,將催化劑涂層涂布在離型基材上,然后與質(zhì)子交換膜熱壓,將催化劑層轉(zhuǎn)印到質(zhì)子膜上。催化劑噴涂到質(zhì)子交換膜上,非連續(xù)化,將催化劑涂布到質(zhì)子交換膜上,卷對(duì)卷方式,單面涂布。
第三代技術(shù)是有序化膜電極,是3M開發(fā),現(xiàn)在放棄了。
攻關(guān)難點(diǎn)是開發(fā)成熟的膜電極涂布設(shè)備、開發(fā)膜電極涂布在線質(zhì)量控制系統(tǒng)、開發(fā)膜電極涂布漿料、制備工藝。
9、MEA封裝技術(shù)及難點(diǎn)
進(jìn)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(shí)現(xiàn)邊框、密封線
豐田是將膜電極封裝到極板上,實(shí)現(xiàn)膜電極、極板一體化
攻關(guān)難點(diǎn),需要開發(fā)全自動(dòng)封裝設(shè)備,開發(fā)邊框、密封線一體化封裝方式。
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