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国内外燃料电池电堆及组件全景图谱

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发布:liuxianglong 作者: 康启平 刘艳秋 张志芸来源: 燃料电池发动机工程技术研究中心
PostTime:26-6-2019 08:10
电堆是发生电化学反应的场所,也是燃料电池动力系统核心部分,由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。将双极板与膜电极交替叠合

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电堆是发生电化学反应的场所,也是燃料电池动力系统核心部分,由多个单体电池以串联方式层叠组合构成。将双极板与膜电极交替叠合,各单体之间嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成燃料电池电堆。

电堆工作时,氢气和氧气分别由进口引入,经电堆气体主通道分配至各单电池的双极板,经双极板导流均匀分配至电极,通过电极支撑体与催化剂接触进行电化学反应。

图1氢燃料电池电堆构成

国外乘用车厂大多自行开发电堆,并不对外开放,例如丰田、本田、现代等。也有少数采用合作伙伴的电堆来开发发动机的乘用车企业,例如奥迪(采用加拿大巴拉德定制开发的电堆)和奔驰(采用奔驰与福田的合资公司AFCC的电堆)。乘用车因为空间限制,目前只能采用高压金属板电堆的技术方案。

目前国外可以单独供应车用燃料电池电堆的知名企业主要有加拿大的Ballard和Hydrogenics,欧洲和美国正在运营的燃料电池公交车绝大多数采用这两家公司的石墨板电堆产品,已经经过了数千万公里、数百万小时的实车运营考验,这两家加拿大电堆企业都已经具备了一定产能,Ballard还与广东国鸿设立了合资企业生产9SSL电堆。

此外还有一些规模较小的电堆开发企业,例如英国的Erlingklinger,荷兰的Nedstack等,在个别项目有过应用,目前产能比较有限。

国内能够独立自主开发电堆并经过多年实际应用考验的只有大连新源动力和上海神力两家企业,大连新源动力采用的是金属板和复合板的技术路线,与上汽合作,开发了荣威950(参数|图片)乘用车和上汽V80客车。上海神力成立于1998年,是中国第一家专业的燃料电池电堆研发生产企业,目前两家都建成了燃料电池电堆中试线,正处于从小批量到产业化转化的关键阶段。另外有一些新兴的燃料电池电堆企业,例如弗尔塞、北京氢璞、武汉众宇等,也开发出燃料电池电堆样机和生产线,正处于验证阶段。

表1电堆厂家及产品性能

1双极板

双极板是电堆的核心结构零部件,起到均匀分配气体、排水、导热、导电的作用,占整个燃料电池60%的重量和~20%的成本,其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。双极板材料目前主要是石墨双极板和金属双极板,丰田Mirai(参数|图片)、本田Clarity(参数|图片)和现代NEXO等乘用车均采用金属双极板,而商用车一般采用石墨双极板。

图2燃料电池双极板

石墨基双极板的主流供应商有美国POCO、美国SHF、美国Graftech、日本Fujikura RubberLTD、日本Kyushu Refractories、英国Bac2等。石墨双极板已实现国产化,国产厂商主要有上海神力、上海弘枫、杭州鑫能石墨、江阴沪江科技、淄博联强碳素材料、上海喜丽碳素等公司。

目前国外金属双极板主要供应商有瑞典Cellimpact、德国Dana、德国Grabener、美国treadstone等。国内还处于研发试制阶段,上海佑戈、上海治臻新能源、新源动力等企业研制出车用燃料电池金属双极板,并尝试在电堆和整车中实际应用。复合双极板的研发目前还比较少,国内仅有大连新源动力和武汉喜玛拉雅等企业有所涉及,实际应用情况还未见报导。

表2双极板主要厂家及产品性能

2膜电极

膜电极是电堆的核心,类似于电脑里的CPU,决定了电堆性能、寿命和成本的上限。膜电极组件由质子交换膜、催化剂和气体扩散层(气体扩散层)组成。国外膜电极的供应商主要有3M、Johnson Matthey、Gore、Greenerity(Toray)、Kolon、Ballard等。丰田、本田等乘用车企业自主开发了膜电极,但不对外销售。国产膜电极性能与国际水平接近,但专业特性上(例如铂载量、启停、冷启动、抗反极等)与国际水平还有一定差距。批量化生产工艺和装备差距较大,国外已实现Roll-to-Roll的连续化生产。随着国内市场的快速增长,国内工程化和质量控制的差距有望进一步缩小。

图3膜电极示意图及实物图

国内专业的膜电极供应商主要是武汉理工新能源,其产品大部分出口到美国的PlugPower公司,在国内也有不少车用的应用。大连新源也自主生产膜电极,主要是自用为上汽的发动机配套。国内还有昆山桑莱特、南京东焱氢能、武汉喜马拉雅、苏州擎动等企业也开发了膜电极。

表3膜电极生产厂家及产品性能

3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,以全氟磺酸膜为主,目前国产化进程提速。质子交换膜目前主流趋势是全氟磺酸增强型复合膜,质子交换膜逐渐趋于薄型化,由几十微米降低到十几微米,降低质子传递的欧姆极化,以达到更高的性能。国外企业有美国Gore公司,科慕(以前的杜邦)、3M、日本的旭化成等,国内能够批量化供应只有山东东岳一家,山东东岳的膜已经进入了奔驰的供应链体系。

图4质子交换膜

表4国内外质子交换膜基本参数

4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Pt的纳米颗粒分散到碳粉(如XC-72)载体上的担载型催化剂。

图5Pt/C催化剂

受到资源和成本方面的限制,目前Pt的用量已经由10年前的0.8~1g/kW降低到目前的0.1~0.4g/kW。降低燃料电池电堆Pt用量的近期目标(2020年)是下降到0.1g/kW左右;长期目标是催化剂用量达到传统内燃机尾气净化器贵金属用量水平(<0.05g/kW)。

燃料电池催化剂的国外生产商主要有英国JohnsonMatthery,德国BASF,日本Tanaka,日本日清纺,比利时Umicore等;国内有贵研铂业,武汉喜马拉雅,中科中创、苏州擎动动力、昆山桑莱特等。

表5催化剂生产厂家及产品性能

5气体扩散层

气休扩散层(GDL)位于流场和膜电极之间,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,GDL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。

图6气体扩散层(GDL)

目前燃料电池生产商多采用日本东丽、加拿大Ballard、德国SGL等厂商的碳纸产品。东丽占据较大的市场份额,我国对碳纸的研发主要集中于中南大学、武汉理工大学等高校,国内江苏天鸟具备优秀的碳纤维织物的生产能力,但由于燃料电池市场太小,尚无量产计划。

表6国内外碳纸基本性能对比


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