燃料電池電堆開發技術發展趨勢
發布時間：
2022-06-02
燃料電池電堆作為燃料電池系統的核心部件，維系著整個燃料電池系統的能量輸出過程。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(包含質子交換膜、催化層和氣體擴散層等)和密封件等構成。
燃料電池電堆作為燃料電池系統的核心部件，維系著整個燃料電池系統的能量輸出過程。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(包含質子交換膜、催化層和氣體擴散層等)和密封件等構成。
圖為燃料電池電堆的構成
隨著材料科學、制造工藝、裝配技術的日益進步，提升功率密度和耐久性、降低成本逐漸成為燃料電池規模化、產業化發展的重要趨勢。因此，開展合理的流場設計與膜電極設計工作尤為重要。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。
雙極板設計
薄板化(緊湊化)、有序化
雙極板是電池結構的重要組件，在燃料電池運行中發揮著項重要功能——導電、導氣與導熱，金屬雙極板的導電性與材料物性以及雙極板表面改性技術息息相關。氣體分配與散熱過程則與雙極板的流場設計關系密切。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。
雙極板是電堆質量的主要構成部分(80%wt)。一方面，雙極板的薄板化是電堆小型化、輕量化、高功率密度化設計的主要方向。另一方面，薄板化也能通過降低電堆的質量熱容提升電池熱管理效率，增強零下環境中的低溫啟動響應效率。因此，薄板化是當前金屬雙極板設計的主要方向。作為氣體分配、散熱的主要功能部件，雙極板流場設計關乎到反應氣快速、高效且均勻地傳輸至催化層的三相反應位點，一定程度上決定了電堆的整體運行特性。
流場設計的高維度化與有序化也是雙極板流場設計的主要趨勢。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計，提升了氣體在流道中傳輸時與壁面碰撞的概率，增強了垂直膜電極方向的強制對流過程，提升了氣體利用效率。同時，在冷卻流場設計方面采用了“2MEA+3隔板+1冷卻流道”的單元設計方式，進一步實現了薄板化設計。
豐田公司的商業化燃料電池汽車則采用了經過特殊設計的三維流場結構，通過密布的導流槽引導氣體向擴散層表面的平滑有序化流動，同時通過導流槽上下表面的親疏水改性處理以及導流槽的周期性波紋陣列實現了水、氣流動的兩相分離，在提升氣體利用效率的同時，增強了排水能力。
此外，雙極板結構的薄板化和復雜化的同時，也須兼顧力學設計，避免厚度降低、復雜結構帶來的材料強度降低、破壞的問題。
膜電極設計低鉑載量、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、質子交換膜、氣體擴散層，隨著生產規模的擴大，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成本的關鍵。
目前這方面的研究可分為兩個方向：一是發展非貴金屬催化劑，實現Pt催化劑的完全替代或部分替代;二是通過開發納米結構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，開發更薄的質子交換膜也是降低成本和提高性能(更低的離子傳導損失)的重要手段，但是需要警惕氣體滲透增強帶來的風險。
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行的重要保障。良好的水熱管理一方面依托于優秀的電池結構設計，另一方面則倚重于合理的控制策略。在高載荷下，電池產水量高，容易在陰極多孔層和流道中發生水淹問題，同時，高載荷下電堆散熱需求量也會顯著提升。在低載荷下，電極干燥將導致質子交換膜過度脫水，嚴重時導致多孔層間分離，造成電堆性能持續衰減。
近年來，隨著燃料電池系統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自增濕轉變，以取消外增濕器的系統部件設計。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，電池產水量小，采用合理的陽極循環比、保證電解質的足夠濕潤尤為重要。而在高載荷下，隨著產水量的提升，催化層內電解質的高潤濕程度也影響著電化學反應平均位置與有效反應面積的改變，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注的重點問題。在工程應用中，開發者在正向設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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