燃料電池電堆開發(fā)技術(shù)發(fā)展趨勢
發(fā)布時間：
2022-06-02
燃料電池電堆作為燃料電池系統(tǒng)的核心部件，維系著整個燃料電池系統(tǒng)的能量輸出過程。燃料電池電堆由多片單電池組成，單電池則由雙極板、膜電極(包含質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴(kuò)散層等)和密封件等構(gòu)成。
燃料電池電堆作為燃料電池系統(tǒng)的核心部件，維系著整個燃料電池系統(tǒng)的能量輸出過程。燃料電池電堆由多片單電池組成，單電池則由雙極板、膜電極(包含質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴(kuò)散層等)和密封件等構(gòu)成。
圖為燃料電池電堆的構(gòu)成
隨著材料科學(xué)、制造工藝、裝配技術(shù)的日益進(jìn)步，提升功率密度和耐久性、降低成本逐漸成為燃料電池規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要趨勢。因此，開展合理的流場設(shè)計與膜電極設(shè)計工作尤為重要。同時，大功率密度、高冷啟動性能、自增濕以及車用工況的匹配等也對燃料電池水熱管理策略提出了更高的要求。
雙極板設(shè)計
薄板化(緊湊化)、有序化
雙極板是電池結(jié)構(gòu)的重要組件，在燃料電池運(yùn)行中發(fā)揮著項重要功能——導(dǎo)電、導(dǎo)氣與導(dǎo)熱，金屬雙極板的導(dǎo)電性與材料物性以及雙極板表面改性技術(shù)息息相關(guān)。氣體分配與散熱過程則與雙極板的流場設(shè)計關(guān)系密切。此外，大量的研究工作也已表明，流場的排水能力是限制燃料電池極限電流密度提升的重要因素。
雙極板是電堆質(zhì)量的主要構(gòu)成部分(80%wt)。一方面，雙極板的薄板化是電堆小型化、輕量化、高功率密度化設(shè)計的主要方向。另一方面，薄板化也能通過降低電堆的質(zhì)量熱容提升電池?zé)峁芾硇剩鰪?qiáng)零下環(huán)境中的低溫啟動響應(yīng)效率。因此，薄板化是當(dāng)前金屬雙極板設(shè)計的主要方向。作為氣體分配、散熱的主要功能部件，雙極板流場設(shè)計關(guān)乎到反應(yīng)氣快速、高效且均勻地傳輸至催化層的三相反應(yīng)位點，一定程度上決定了電堆的整體運(yùn)行特性。
流場設(shè)計的高維度化與有序化也是雙極板流場設(shè)計的主要趨勢。本田公司旗下燃料電池汽車中搭載的電堆采用了二維波紋形流場設(shè)計，提升了氣體在流道中傳輸時與壁面碰撞的概率，增強(qiáng)了垂直膜電極方向的強(qiáng)制對流過程，提升了氣體利用效率。同時，在冷卻流場設(shè)計方面采用了“2MEA+3隔板+1冷卻流道”的單元設(shè)計方式，進(jìn)一步實現(xiàn)了薄板化設(shè)計。
豐田公司的商業(yè)化燃料電池汽車則采用了經(jīng)過特殊設(shè)計的三維流場結(jié)構(gòu)，通過密布的導(dǎo)流槽引導(dǎo)氣體向擴(kuò)散層表面的平滑有序化流動，同時通過導(dǎo)流槽上下表面的親疏水改性處理以及導(dǎo)流槽的周期性波紋陣列實現(xiàn)了水、氣流動的兩相分離，在提升氣體利用效率的同時，增強(qiáng)了排水能力。
此外，雙極板結(jié)構(gòu)的薄板化和復(fù)雜化的同時，也須兼顧力學(xué)設(shè)計，避免厚度降低、復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來的材料強(qiáng)度降低、破壞的問題。
膜電極設(shè)計低鉑載量、薄膜化
燃料電池電堆的主要成本在于膜電極，膜電極主要成本則在于催化劑、質(zhì)子交換膜、氣體擴(kuò)散層，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，使用貴金屬的催化劑成本占比會越來越高。因此在保證足夠的功率輸出的情況下，如何降低膜電極中貴金屬催化劑Pt粉的使用量，是降低燃料電池動力系統(tǒng)成本的關(guān)鍵。
目前這方面的研究可分為兩個方向：一是發(fā)展非貴金屬催化劑，實現(xiàn)Pt催化劑的完全替代或部分替代;二是通過開發(fā)納米結(jié)構(gòu)的催化劑合金顆粒和催化劑載體材料，減少催化劑載體的腐蝕以及承載更加穩(wěn)定和活性更高的催化劑，從而提高催化劑的利用率。
此外，開發(fā)更薄的質(zhì)子交換膜也是降低成本和提高性能(更低的離子傳導(dǎo)損失)的重要手段，但是需要警惕氣體滲透增強(qiáng)帶來的風(fēng)險。
電堆水熱管理自管理化、策略高效化
合理、高效水熱管理是燃料電池電堆高性能可靠運(yùn)行的重要保障。良好的水熱管理一方面依托于優(yōu)秀的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計，另一方面則倚重于合理的控制策略。在高載荷下，電池產(chǎn)水量高，容易在陰極多孔層和流道中發(fā)生水淹問題，同時，高載荷下電堆散熱需求量也會顯著提升。在低載荷下，電極干燥將導(dǎo)致質(zhì)子交換膜過度脫水，嚴(yán)重時導(dǎo)致多孔層間分離，造成電堆性能持續(xù)衰減。
近年來，隨著燃料電池系統(tǒng)小型化需求的不斷深入和成本控制要求，電池增濕方式也逐漸由外增濕向陽極循環(huán)自增濕轉(zhuǎn)變，以取消外增濕器的系統(tǒng)部件設(shè)計。這也對燃料電池水熱管理策略的合理制定與在線控制提出了更高的要求。在低載荷下，電池產(chǎn)水量小，采用合理的陽極循環(huán)比、保證電解質(zhì)的足夠濕潤尤為重要。而在高載荷下，隨著產(chǎn)水量的提升，催化層內(nèi)電解質(zhì)的高潤濕程度也影響著電化學(xué)反應(yīng)平均位置與有效反應(yīng)面積的改變，同時控制電池溫度保持以良好的電堆散熱效率、維持電堆溫度均一性以避免電池性能單低問題、加快流道排水過程以避免過度水淹等都是水熱管理策略需要關(guān)注的重點問題。在工程應(yīng)用中，開發(fā)者在正向設(shè)計和過程控制中均需兼顧水熱管理問題。
圖為燃料電池的外增濕
圖為燃料電池的陽極自增濕
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