鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1967次 | 2020年04月28日
燃料動(dòng)力電池電堆是什么？我國(guó)的燃料電池電堆發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)燃料動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)走了一條和日本大相徑庭的路，也是一條適合我國(guó)國(guó)情的路，以物流車(chē)和客車(chē)為突破點(diǎn)來(lái)發(fā)展燃料動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)，2017年完成1000臺(tái)左右客車(chē)和物流車(chē)，2018年預(yù)計(jì)突破3000-5000臺(tái)規(guī)模，這是目前我國(guó)燃料動(dòng)力電池汽車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀。
而電堆則成為我國(guó)燃料動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，低成本、高性能、批量供應(yīng)的國(guó)產(chǎn)電堆是燃料動(dòng)力電池汽車(chē)成本下降從而與傳統(tǒng)汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。
1）從成本上看，電堆占燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)的成本一半，是FCV里單一價(jià)格最高的部件，隨著產(chǎn)量擴(kuò)張，未來(lái)電堆成本有望在下降50%以上；
2）從性能上看，電堆性能是燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)乃至整車(chē)性能的決定因素；
3）從技術(shù)上看，電堆是整個(gè)系統(tǒng)里技術(shù)含量最高部分，無(wú)論從流道設(shè)計(jì)、催化劑制備、MEA合成都有相當(dāng)門(mén)檻。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
目前電堆國(guó)產(chǎn)化取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，關(guān)鍵零部件能實(shí)現(xiàn)不同程度的國(guó)產(chǎn)化，雖然與國(guó)際先進(jìn)水平仍有差距，但隨著不斷投入，我們認(rèn)為差距會(huì)迅速縮短：
膜電極膜電極組件（membraneelectrodeassembly，MEA）是集膜、催化層、擴(kuò)散層于一體的組合件，是燃料動(dòng)力電池的核心部件之一。
目前，國(guó)際上已經(jīng)發(fā)展了3代MEA技術(shù)路線：
一是把催化層制備到擴(kuò)散層上（GDE），通常采用絲網(wǎng)印刷方法，其技術(shù)已經(jīng)基本成熟；
二是把催化層制備到膜上（CCM），與第1種方法比較，在一定程度上提高了催化劑的利用率與耐久性；
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
三是有序化的MEA，把催化劑如pt制備到有序化的納米結(jié)構(gòu)上，使電極呈有序化結(jié)構(gòu)，有利于降低大電流密度下的傳質(zhì)阻力，進(jìn)一步提高燃料動(dòng)力電池性能，降低催化劑用量。
目前進(jìn)口產(chǎn)品與國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品并存，隨著新的業(yè)者加入，國(guó)產(chǎn)比例將不斷提高。
質(zhì)子交換膜國(guó)內(nèi)產(chǎn)品從批次品質(zhì)看達(dá)到要求，由于供應(yīng)鏈的原因并未占據(jù)主流份額，隨著國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，國(guó)產(chǎn)質(zhì)子交換膜的替代將加快。
極板
燃料動(dòng)力電池雙極板（bipolarplate，Bp）的用途是傳導(dǎo)電子、分配反應(yīng)氣并帶走生成水，從功能上要求雙極板材料是電與熱的良導(dǎo)體、具有一定的強(qiáng)度以及氣體致密性等；穩(wěn)定性方面要求雙極板在燃料動(dòng)力電池酸性（pH=2~3）、電位（E=~1.1V）、濕熱（氣水兩相流，~80℃）環(huán)境下具有耐腐蝕性且對(duì)燃料動(dòng)力電池其他部件與材料的相容無(wú)污染性；產(chǎn)品化方面要求雙極板材料要易于加工、成本低廉。
目前石墨極板有公司批量供貨，金屬極板也有部分有公司批量生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)目前以商用車(chē)為主導(dǎo)，石墨極板也許是一段時(shí)間性?xún)r(jià)比合適的選擇。
催化劑是燃料動(dòng)力電池的關(guān)鍵材料之一，其用途是降低反應(yīng)的活化能，促進(jìn)氫、氧在電極上的氧化還原過(guò)程、提高反應(yīng)速率。
目前催化劑來(lái)源以國(guó)際大廠為主，國(guó)內(nèi)有公司開(kāi)始進(jìn)入。催化劑方面，之前擔(dān)心的鉑的供應(yīng)問(wèn)題隨著單耗的迅速下降也已不成問(wèn)題。
氣體擴(kuò)散層在質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池中，氣體擴(kuò)散層位于流場(chǎng)和催化層之間，其用途是支撐催化層、穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)，并具有質(zhì)/熱/電的傳遞功能。因此GDL必須具備良好的機(jī)械強(qiáng)度、合適的孔結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性、高穩(wěn)定性。
電堆是燃料動(dòng)力電池最關(guān)鍵部件電堆由多個(gè)單體電池以串聯(lián)方式層疊組合構(gòu)成。將雙極板與膜電極交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成燃料動(dòng)力電池電堆。
電堆是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，燃料動(dòng)力電池動(dòng)力系統(tǒng)核心部分。電堆工作時(shí)，氫氣和氧氣分別由進(jìn)口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)流均勻分配至電極，通過(guò)電極支撐體與催化劑接觸進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。
在燃料動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)鏈中，電堆處于中游核心環(huán)節(jié)。催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層組成膜電極和雙極板構(gòu)成電堆的上游，電堆與空壓機(jī)、儲(chǔ)氫瓶系統(tǒng)、氫氣循環(huán)泵等其它組件構(gòu)成燃料動(dòng)力電池動(dòng)力系統(tǒng)，下游應(yīng)用對(duì)應(yīng)交通領(lǐng)域和備用電源領(lǐng)域，重要是客車(chē)、轎車(chē)、叉車(chē)、固定式電源和便攜式電源等。
電堆性能達(dá)到商業(yè)化，鉑金不是瓶頸目前燃料動(dòng)力電池汽車(chē)在速度、加速時(shí)間和續(xù)航均滿(mǎn)足日常使用，商業(yè)化瓶頸重要是在耐久性、低溫啟動(dòng)和鉑金需求方面，目前電堆性能達(dá)到商業(yè)化需求。
在耐久性方面，豐田和新源動(dòng)力轎車(chē)用電堆壽命超5000h，BallardFCvelocity-HD6燃料動(dòng)力電池已經(jīng)達(dá)到超過(guò)25000小時(shí)時(shí)間的耐久性記錄，已經(jīng)滿(mǎn)足日常乘用車(chē)和商用車(chē)使用需求。
轎車(chē)用電堆耐久性達(dá)到5000h，普通乘用車(chē)用戶(hù)日均行駛2h，轎車(chē)可使用7年；商用車(chē)電堆耐久性達(dá)到25000h，一輛商用車(chē)日均行駛8h，使用時(shí)間可達(dá)到8年。
低溫性能方面，目前電堆可以應(yīng)對(duì)全球絕大部分地區(qū)和氣候，豐田燃料動(dòng)力電池汽車(chē)和本田燃料動(dòng)力電池汽車(chē)分別實(shí)現(xiàn)了-37℃和-30℃啟動(dòng)；即使在冬天，燃料動(dòng)力電池汽車(chē)依然可以滿(mǎn)足日常使用。
鉑金需求方面，目前本田電堆鉑金載量已經(jīng)低至0.12g/kg，鉑載量還處于持續(xù)下降過(guò)程中，鉑金不會(huì)成為燃料動(dòng)力電池發(fā)展瓶頸。
以本田Clarity為例，單輛燃料動(dòng)力電池車(chē)催化劑耗鉑已經(jīng)降至10g左右，而單輛柴油車(chē)要5g做鉑金作為尾氣凈化催化劑，目前燃料動(dòng)力電池催化劑鉑金用量已經(jīng)降至產(chǎn)業(yè)化水平，而且處于持續(xù)下降中，不會(huì)引起鉑金需求短缺。
假設(shè)到2025年單車(chē)鉑載量5g計(jì)算，燃料動(dòng)力電池汽車(chē)100萬(wàn)輛計(jì)算，鉑金需求量5噸，相對(duì)2017年鉑金用量244噸，邊際增量只有2；考慮燃料動(dòng)力電池鉑載量持續(xù)下降和非貴金屬催化劑的發(fā)展，燃料動(dòng)力電池汽車(chē)規(guī)?；馁Y源瓶頸并不存在。
膜電極1）膜電極（membraneelectrodeassembly，MEA）是質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，是傳遞電子和質(zhì)子的介質(zhì)，為反應(yīng)氣體、尾氣和液態(tài)水的進(jìn)出供應(yīng)通道，膜電極是質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池的心臟。
膜電極通常由5部分組成，即中間的質(zhì)子交換膜、兩側(cè)的陽(yáng)極催化層和陰極催化層，最外側(cè)的陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層和陰極氣體擴(kuò)散層。
2）當(dāng)前膜電極在性能和產(chǎn)量方面可以初步滿(mǎn)足商業(yè)化需求?，F(xiàn)階段性能初步滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)使用，2015年MEA，在工況條件下壽命達(dá)到2500小時(shí)，性能方面也達(dá)到810mW/cm2。
膜電極廠商具備萬(wàn)平米級(jí)產(chǎn)量，目前做膜電極的廠商分為兩類(lèi)，一種是具備膜電極產(chǎn)業(yè)化能力，能夠自給自足的燃料動(dòng)力電池廠商，以豐田和Ballard為代表。
另外一種是專(zhuān)業(yè)的膜電極供應(yīng)商，包括Gore、JM、3M、Toray（Greenerity），都已經(jīng)具備了不同程度的自動(dòng)化生產(chǎn)線，年產(chǎn)量在數(shù)千平米到萬(wàn)平米級(jí)。
MEA生產(chǎn)工藝瞄準(zhǔn)低鉑和高功率密度，有序化膜電極工藝是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
膜電極技術(shù)經(jīng)歷了三代發(fā)展，大體上可以分為熱壓法、CCM（catalystcoaTIngmembrane）法和有序化膜電極三種類(lèi)型。
目前大部分廠商選擇第二代CCM三合一膜電極技術(shù)，有序化膜電極是當(dāng)下工藝發(fā)展趨勢(shì)。
有序化膜電極能兼顧超薄電極和結(jié)構(gòu)控制，擁有巨大的單位體積的反應(yīng)活性面積及孔隙結(jié)構(gòu)相互貫通的新奇特性，可以達(dá)到高效三相傳輸、高pt利用率、高耐久性，使其成為了pEMFC領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是下一代膜電極制備技術(shù)的主攻方向。
質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜是作為pEM燃料動(dòng)力電池的核心組件，重要功能是充當(dāng)質(zhì)子通道實(shí)現(xiàn)質(zhì)子快速傳導(dǎo)，同時(shí)還起阻隔陽(yáng)極燃料和陰極氧化物的用途，防止燃料（氫氣、甲醇等）和氧化物（氧氣）在兩個(gè)電極見(jiàn)發(fā)生互串，此外還要對(duì)催化劑層起到支撐用途。
質(zhì)子交換膜性能好壞直接決定著pEM燃料動(dòng)力電池的性能和使用壽命，作為pEM材料，應(yīng)具有以下性質(zhì)：
全氟磺酸膜是主流質(zhì)子交換膜。質(zhì)子交換膜根據(jù)含氟情況進(jìn)行分類(lèi)重要包括全氟磺酸膜、非全氟化質(zhì)子交換膜、無(wú)氟化質(zhì)子交換膜和復(fù)合膜。
目前世界上主流質(zhì)子交換膜是全氟磺酸膜，全氟磺酸聚合物具有聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)，其碳-氟鍵的鍵能高，使其力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)異，其聚合物膜的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于其他膜材料的使用壽命，其次分子鏈上的親水性磺酸基團(tuán)具有優(yōu)良的氫離子傳導(dǎo)特性。
全氟磺酸膜也是目前在pEMFC中唯一得到廣泛應(yīng)用的質(zhì)子交換膜，如美國(guó)杜邦的Nafion膜、陶氏公司的Dow系列質(zhì)子交換膜、日本旭化成公司的Aciplex膜和日本旭哨子公司的Flemion膜，其中Nafion膜應(yīng)用最廣泛。
用于pEMFC質(zhì)子交換膜重要要求1、高的質(zhì)子傳導(dǎo)性能，可以降低電池內(nèi)阻，提高電流密度。
2、較好的水穩(wěn)定性、氧化穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠阻止聚合物鏈在活性物質(zhì)用途下的降解。
3、較低的尺寸變化率，防止膜吸水和脫水過(guò)程中的膨脹和收縮引起的局部應(yīng)力上升而造成膜與電極剝離，使電池壽命降低。
4、較高的機(jī)械強(qiáng)度，可加工性好，滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)要求。
5、較低的氣體（尤其是氫氣和氧氣）滲透率，以免氫氣和氧氣在電極表面發(fā)生反應(yīng)，造成電極局部過(guò)熱，影響電池的電流效率。
6、適當(dāng)?shù)男阅?價(jià)格比。
各類(lèi)質(zhì)子交換膜比較
催化劑催化劑是燃料動(dòng)力電池的關(guān)鍵材料之一，其用途促進(jìn)氫、氧在電極上的氧化還原過(guò)程。目前最好的催化劑仍是pt和pt基催化劑。
陽(yáng)極反應(yīng)：陽(yáng)極電催化劑表面的氫氣氧化反應(yīng)（HOR），整體氧化反應(yīng)可以表示為：
陰極反應(yīng)：陰極電催化劑表面的氧還原反應(yīng)（ORR），整體反應(yīng)可表示為：
目前最好的催化劑仍是pt和pt基催化劑，當(dāng)前鉑金用量已經(jīng)降至可接受水平，根據(jù)DOE數(shù)據(jù)，2015年pt含量達(dá)到0.16g/kw，質(zhì)量比活性大于0.5A/mg。
本田FCV燃料動(dòng)力電池催化劑pt含量降至0.12g/kw，豐田Mirai燃料動(dòng)力電池催化劑pt含量達(dá)0.175g/kw。
pt質(zhì)量比活性可以通過(guò)提高表面pt的面積比活性來(lái)改善，改變表面pt面積比活性的重要理論指導(dǎo)是pt與其他金屬發(fā)生相互間用途后，pt原子的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。
重要研究方向有pt合金催化劑、pt單層催化劑、pt納米管和pt核殼等：研究非pt催化劑替代，包括鈀基催化劑和非貴金屬催化劑。
氣體擴(kuò)散層多孔氣體擴(kuò)散層將膜電極組合體夾在中間，重要起氣體擴(kuò)散的用途。
多孔擴(kuò)散層的重要功能包括：
①實(shí)現(xiàn)氣體在催化層表面的擴(kuò)散；
②供應(yīng)機(jī)械支撐；
③導(dǎo)通電流；
④排除反應(yīng)生成水。
擴(kuò)散層的材質(zhì)是經(jīng)疏水材料處理的碳基材料（碳紙或碳布）。疏水材料的用途是防止水在擴(kuò)散層孔中積聚，影響氣體擴(kuò)散。
不同擴(kuò)散層材料性能指標(biāo)氣體擴(kuò)散層通常由基底層和微孔層組成，基底層通常使用多孔的碳纖維紙、碳纖維織布、碳纖維非紡材料及碳黑紙，也有的利用泡沫金屬、金屬網(wǎng)等來(lái)制備，重要起到支撐微孔層的催化層的用途，微孔層重要是改善基底層孔隙結(jié)構(gòu)的一層碳粉，目的是降低催化層和基底層之間的接觸電阻，使得流道氣體以及出現(xiàn)水均勻分配。
工藝方面，氣體擴(kuò)散層所用炭紙初坯的制備方法可分為兩種：濕法和干法。
濕法造紙技術(shù)制備的擴(kuò)散層用炭紙具有良好且均勻的大量孔隙，能夠通過(guò)調(diào)節(jié)酚醛樹(shù)脂的量來(lái)控制孔隙率的大小，有利于加工成滿(mǎn)足實(shí)際需求的炭紙。
濕法制碳紙工藝雙極板
雙極板也叫做流場(chǎng)板，是構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池重量和體積的重要部分。
它的重要用途有：
1）把反應(yīng)物通過(guò)機(jī)加工的通道送到膜電極組，
2）將反應(yīng)物擴(kuò)散到電極表面，
3）收集電化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)的電流。雙極板要有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，良好的力學(xué)強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。
現(xiàn)在也有大量開(kāi)發(fā)新材料的研究，其目的是減輕雙極板的重量，從而提高燃料動(dòng)力電池的功率密度，但均有一定的缺點(diǎn)。
雙極板上的流道關(guān)于雙極板的性能非常重要，不同幾何形狀的流道在反應(yīng)物的導(dǎo)流上具有重要影響。
雙極板是電堆中的“骨架”，與膜電極層疊裝配成電堆，在燃料動(dòng)力電池中起到支撐、收集電流、為冷卻液供應(yīng)通道、分隔氧化劑和還原劑等用途。雙極板材料重要包括石墨、金屬以及復(fù)合材料三類(lèi)。
石墨基雙極板在燃料動(dòng)力電池的環(huán)境中具有非常良好的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)具有很高的導(dǎo)電率，是目前質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池研究和應(yīng)用中最為廣泛的材料。
金屬材料相比石墨材料具有更好的導(dǎo)電和熱傳導(dǎo)性能，同時(shí)金屬材料良好的機(jī)加工性能會(huì)大大降低雙極板的加工難度。
復(fù)合材料雙極板能較好地結(jié)合石墨板與金屬板的優(yōu)點(diǎn)，使電堆裝配后達(dá)到更好的效果。
三種常用雙極板性能比較乘用車(chē)燃料動(dòng)力電池具有高能量密度需求，金屬雙極板相較于石墨及復(fù)合雙極板具有明顯優(yōu)勢(shì)。
如日本豐田Mirai燃料動(dòng)力電池汽車(chē)用金屬雙極板pEMFC模塊的功率密度達(dá)到3kW/L，英國(guó)IntelligentEnergy的新一代EC200-192金屬雙極板燃料動(dòng)力電池模塊的功率密度達(dá)到5kW/L。
金屬雙極板使pEMFC模塊的功率密度大幅提升，金屬雙極板已成為乘用車(chē)燃料動(dòng)力電池的主流雙極板。目前金屬雙極板重要供應(yīng)商有瑞典Cellimpact、德國(guó)Dana、德國(guó)Grabener、美國(guó)treadstone等。
雙極板上的流道為了增大反應(yīng)面積，可以將燃料動(dòng)力電池內(nèi)部設(shè)計(jì)成多種不同的“流道”，使得在體積一定的情況下，反應(yīng)接觸的面積更大，相應(yīng)的效率也更高?！傲鞯馈钡脑O(shè)計(jì)如下圖所示。
雖然單體燃料動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但燃料動(dòng)力電池堆的運(yùn)作實(shí)際上非常復(fù)雜。燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)中還具有發(fā)揮水管理、熱管理和功率調(diào)節(jié)等用途的組件，各組件構(gòu)精密配合方能完成燃料動(dòng)力電池的能量轉(zhuǎn)換，并且事先還要反復(fù)和精準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)模擬。
例如，假如沒(méi)有良好的水管理，燃料動(dòng)力電池水出現(xiàn)和水除去將失去平衡。質(zhì)子交換膜在濕度為30時(shí)氫離子導(dǎo)電率嚴(yán)重下降，15時(shí)成為絕緣體。
而反應(yīng)出現(xiàn)的熱量很可能加劇水的蒸發(fā)，因此要加濕器來(lái)進(jìn)行加濕。而同時(shí)，陰極出現(xiàn)的水則容易淹沒(méi)電池，導(dǎo)致氧氣（空氣）無(wú)法擴(kuò)散到電極，降低工作性能。
