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燃料电池电堆组装生产线的核心部件有什么?未来发展趋势是怎样的?

来源:新华网    作者:admin    浏览量:22123

关于燃料电池系统,小编认为其关键部件包括电堆、供气系统等辅助系统,关键技术包括水热管理技术、低温冷启动、系统的控制技术等。燃料电池电堆是这个系统的核心,包括双极板、膜电极、催化剂、质子交换膜、气体扩散层等部件。



一、核心部件

1.电堆

电堆是发生电化学反应的场所。单体电池是由双极板与膜电极组成。按目标负载需求,将多个单电池层叠组合,嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成燃料电池堆(简称电堆)。
燃料电池电堆系统核心部件功能及发展趋势解析

电堆工作时,阳极为氢燃料发生氧化的场所,阴极为氧化剂还原的场所,两极都含有加速电极电化学反应的催化剂,质子交换膜作为传递氢离子的介质,只允许氢离子通过,电子则在外部形成电流。工作时,电堆相当于一个直流电源,阳极即电源负极,阴极即电源正极。实际上燃料电池电堆不是一个储能装置,而是一个发电装置。


2.双极板

双极板是电堆的多功能部件,其主要作用是通过表面的流场给膜电极输送反应气体,同时收集和传导电流(多个单电池通过双极板串联)并排出反应的热量及产物水。其重量约占电堆的80%,成本约占30%。

双极板材料目前主要是石墨双极板、金属双极板和复合板,伊维经济研究院调研发现石墨双极板当前应用最为广泛。石墨双极板耐腐蚀性强,导电导热好,但气密性较差,厚度大且加工周期长,成本较高。


3.膜电极

膜电极是电堆的“电芯”,决定了电堆性能、寿命和成本的上限,成本占据电堆60%以上。膜电极组件是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件,是燃料电池单体的最重要组件。伊维经济研究院研究发现,目前,国际上已经发展了3代膜电极技术路线:
一是主要采用热压法,将催化剂浆料涂覆在气体扩散层上,构成阳极和阴极催化层,形成“GDE”结构膜电极,总体性能不高;
二是把催化层制备到膜上(CCM),一定程度上提高了催化剂的利用率与耐久性,但催化层结构具有不稳定性;
三是有序化的膜电极,把催化剂如Pt制备到有序化的纳米结构上,使电极呈有序化结构,获得坚固、完整的催化层,进一步提高燃料电池性能,降低催化剂铂载量。

4.质子交换膜

质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心元件。从膜的结构来看,质子交换膜(PEM)大致可分为三大类:磺化聚合物膜,复合膜,无机酸掺杂膜。

目前研究的 PEM材料主要是磺化聚合物电解质,按照聚合物的含氟量可分为全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜以及非氟质子交换膜等。


5.催化剂

催化剂是燃料电池的关键材料之一,目前燃料电池中常用催化剂是Pt/C,即由铂的纳米颗粒分散到碳粉载体上的担载型催化剂。研究目标就是使燃料电池催化剂的铂载量低于传统燃油车,国外催化剂铂载量达到0.1~0.2g/kW,国内铂载量0.3~0.4g/kW,离传统燃油车0.05g/kW还有较大下降空间。

6.气体扩散层

气体扩散层位于流场和膜电极之间,扩散层的材质是经疏水材料处理的碳基材料(碳纸或碳布)。疏水材料的作用是防止水在扩散层孔中积聚,影响气体扩散。
扩散层的主要作用是为参与反应的气体和产生的水提供传输通道,并支撑膜电极。因此,气体扩散层必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性,因而所需碳纸、碳布必须具备优良性能。



二、未来的发展趋势
1.燃料电池电堆降成本仍然是行业发展重点。在当前技术条件下,质子交换膜、气体扩散层等加工成本主导的零部件可以通过规模化实现降成本,而双极板、催化剂受原料成本主导难以通过规模化降本,因此需要更迭技术,探索低成本解决方案。
2.电堆及零部件国产化进程加快。目前国内用于乘用车的金属双极板、膜电极、质子交换膜、催化剂、炭纸生产能力较低,市场由国外企业主导。随着国内研发投入加大,未来电堆生产技术及各零部件技术与国外差距将缩小,国产替代将加速。
3.石墨双极板技术成熟,国内将迎来规模化生产。石墨材料将寻求性能更优、成本更低新型炭基材料,生产工艺由机械加工成型向模压成型转变。而随着乘用车技术的进步,体积小、功率高更适宜批量生产的金属双极板前景广阔。
4.有序化膜电极技术是未来膜电极制备主流发展趋势。有序化膜电极能够解决CCM技术催化层结构不稳定的缺陷,具有优良的多相传质通道,能有效降低铂载量,并提高膜电极寿命。目前,行业内小范围实现量产,规模化量产仍面临水管理等技术和制备难题。
5.降低催化剂铂载量或使用非铂催化剂是有效的降成本方向。一方面通过改进电极,提高铂质量比活性以降低铂用量,开发核壳机构、铂合金或纳米结构的超低铂催化剂;另一方面研究开发非铂催化剂,如钯基催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂技术。

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