寫稿
投稿
氫燃料電池組是整個(gè)燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈的核心。燃料電池的性能和成本直接決定了燃料電池的工業(yè)化進(jìn)程。氫燃料電池反應(yīng)器的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括耐久性、啟動(dòng)溫度和比功率，其中比功率是近兩年國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)之一。目前，國(guó)內(nèi)反應(yīng)器企業(yè)正在迅速崛起，無(wú)論是從膜電極、雙極板等核心部件技術(shù)上的突破，還是從整個(gè)反應(yīng)器的功率水平、功率密度上都取得了很大的進(jìn)步。
大眾需求帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，氫燃料電池汽車的大規(guī)模應(yīng)用推動(dòng)了氫燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的崛起。氫燃料電池的成本正在迅速下降，技術(shù)也在不斷更新。
商業(yè)化正在加速
燃料電池堆由若干個(gè)燃料電池串聯(lián)堆疊而成。雙板與膜電極MEA交替重疊，單體之間嵌封，前后板壓緊用螺絲緊固，即構(gòu)成燃料電池棧。燃料電池堆是電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，是燃料電池系統(tǒng)(或燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī))的核心部件。
反應(yīng)堆工作時(shí),氫氣和氧氣分布的雙極板每一個(gè)細(xì)胞通過(guò)反應(yīng)器的主要?dú)怏w通道,和雙相的導(dǎo)電率板塊是均勻分布的電極、電化學(xué)反應(yīng)是由接觸電極支持身體的催化劑。
目前，氫燃料電池汽車已進(jìn)入市場(chǎng)啟動(dòng)階段。以日本豐田Mirai、韓國(guó)現(xiàn)代Nexo、廣汽AION LX為代表的氫燃料電池汽車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用化，其性能和行駛里程與傳統(tǒng)燃料汽車不相上下。乘用車燃料電池堆功率水平一般在100kw左右，而商用車燃料電池堆功率水平一般在30 - 200kw之間。
近年來(lái)，我國(guó)燃料電池商用車取得了快速發(fā)展，明顯快于燃料電池乘用車。經(jīng)過(guò)十幾年的研發(fā)投入，我國(guó)的燃料電池技術(shù)趨于成熟，以福田歐輝、鄭州宇通、佛山飛世等為代表的燃料電池客車正逐步開(kāi)始市場(chǎng)化進(jìn)程，燃料電池物流車輛也已做好商業(yè)化發(fā)展的準(zhǔn)備。據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2018年12月，中國(guó)燃料電池汽車銷量已達(dá)1527輛。
今年，國(guó)內(nèi)氫燃料電池反應(yīng)堆開(kāi)發(fā)企業(yè)紛紛公布了好消息，并正在努力改善國(guó)內(nèi)氫燃料電池反應(yīng)堆的性能。
HCHEN科技與上下游企業(yè)共同開(kāi)發(fā)的H3技術(shù)，在現(xiàn)有H2技術(shù)的基礎(chǔ)上，大大提高了性能、壽命和可靠性。230kW單堆大功率堆性能試驗(yàn)已完成，即將投入行業(yè)使用。基于H2技術(shù)開(kāi)發(fā)的80kW、100kW、120kW、150kW四種大功率堆，目前已裝機(jī)100臺(tái)，運(yùn)行良好。
新華能自主研發(fā)的110kW水冷堆模塊已完成一系列性能測(cè)試。目前是新華網(wǎng)單堆功率最大的模塊。反應(yīng)器與雙反應(yīng)器模塊結(jié)構(gòu)兼容，雙反應(yīng)器模塊功率為200kW。
鑫源動(dòng)力研發(fā)的第三代汽車質(zhì)子交換膜燃料電池模塊技術(shù)性能更加優(yōu)異。結(jié)構(gòu)緊湊，功率密度高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，易于系統(tǒng)集成。額定功率可達(dá)130kW，防護(hù)等級(jí)IP67，低溫冷啟動(dòng)可達(dá)- 40℃。采用金屬雙極板組裝的電抗器性能更高，體積更小，適用于乘用車和商用車的組裝。
燃料電池堆的重要組成部分有膜電極、雙極板和質(zhì)子交換膜等。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)從多個(gè)方面進(jìn)行了研究，試圖降低燃料電池堆的成本，提高燃料電池堆的整體性能。
氫燃料電池堆芯-雙極板
雙極板是燃料電池堆中的關(guān)鍵部件，它可以使活性氣體均勻分布在有源區(qū)域，導(dǎo)電并支撐膜電極，以保持堆結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并去除燃料電池產(chǎn)生的熱量和水分。
雙極極板占燃料電池重量的60%，成本的20%，其性能直接影響到輸出功率的大小和電池使用壽命的長(zhǎng)短。雙極材料主要有石墨雙極、石墨復(fù)合雙極和金屬雙極，豐田Mirai、本田Clarity和現(xiàn)代NEXO乘用車均采用金屬雙極，而商用車普遍采用石墨雙極。
金屬雙極板因其優(yōu)異的力學(xué)性能和電學(xué)性能而成為燃料電池行業(yè)的研究熱點(diǎn)之一。最近，沖氫在金屬雙極板鍍膜技術(shù)上取得了突破。在第四代涂裝的基礎(chǔ)上，徹底解決了金屬板材耐蝕性、導(dǎo)電性和低成本的行業(yè)瓶頸，通過(guò)工藝和設(shè)備升級(jí)，將高潛在耐蝕性提高了10倍。
與第三代碳基涂層相比，第四代涂層在高電位(1.6 vs.she)下的腐蝕電流從200μA/cm2下降到50μA/cm2。基于第四代獨(dú)立連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備，結(jié)合工藝升級(jí)，腐蝕電流進(jìn)一步降低至5μA/cm2。
膜電極是氫燃料電池堆的第二核心
膜電極作為燃料電池的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝十分復(fù)雜，整個(gè)研發(fā)周期長(zhǎng)，技術(shù)壁壘高，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)十分困難。膜電極決定了反應(yīng)器性能、壽命和成本的上限。膜電極組件由質(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴(kuò)散層(氣體擴(kuò)散層)組成。
國(guó)內(nèi)膜電極的性能接近國(guó)際水平，但專業(yè)特性(如鉑負(fù)載、啟停、冷啟動(dòng)、反極性等)仍落后于國(guó)際水平。但隨著國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)工程與質(zhì)量控制之間的差距有望進(jìn)一步縮小。
近年來(lái)，長(zhǎng)城能源克服了燃料電池行業(yè)的“瓶頸”問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了完全自主研發(fā)的新型高性能膜電極的規(guī)模化生產(chǎn)，加速了膜電極國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。長(zhǎng)城創(chuàng)新了“梯度技術(shù)”，極大地提高了膜電極產(chǎn)品單位面積發(fā)電量、使用壽命等關(guān)鍵性能指標(biāo)。膜電極的功率密度為1.30W/cm2，耐久性為> 10000 h，鉑負(fù)載為0.35mg/cm2。
質(zhì)子交換膜是氫燃料電池反應(yīng)堆的第三核心質(zhì)子交換膜是燃料電池(PEMFC)的核心部件。主要成分為全氟磺酸膜，目前主要為進(jìn)口。目前質(zhì)子交換膜的主要發(fā)展方向是全氟磺酸增強(qiáng)的復(fù)合膜。質(zhì)子交換膜逐漸趨于薄，從幾十微米降到幾十微米，降低了質(zhì)子轉(zhuǎn)移的歐姆極化，從而達(dá)到更高的性能。
目前，國(guó)內(nèi)質(zhì)子交換膜生產(chǎn)企業(yè)主要有東岳集團(tuán)旗下的Future Hydrogen Co.， LTD.，主營(yíng)燃料電池用質(zhì)子交換膜，上游原料為全氟磺酸樹(shù)脂和全氟羧酸樹(shù)脂。其生產(chǎn)能力、技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。
11月，東岳150萬(wàn)平方米質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線一期項(xiàng)目正式投產(chǎn)。這標(biāo)志著東岳集團(tuán)經(jīng)過(guò)16年的艱苦科研，與奔馳、福特等公司務(wù)實(shí)的技術(shù)合作，成為全球兩家可提供質(zhì)子交換膜用于量產(chǎn)氫燃料電池汽車的企業(yè)之一。
目前，東越集團(tuán)擁有全氟質(zhì)子膜燃料電池最完整的產(chǎn)業(yè)鏈，擁有氟功能膜材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，形成涵蓋原料、關(guān)鍵中間體、樹(shù)脂和質(zhì)子交換膜等全系列完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，其中，質(zhì)子膜燃料電池成膜聚合物，榮獲2019年中國(guó)專利金獎(jiǎng)。
燃料電池堆的成本約占整個(gè)氫燃料電池系統(tǒng)的50%。燃料電池堆成本的迅速降低和技術(shù)性能的顯著提高，有利于氫燃料電池汽車在中國(guó)的推廣和示范。從雙極板、膜電極到質(zhì)子交換膜，國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程不斷加快，國(guó)內(nèi)企業(yè)在科技創(chuàng)新道路上也在不斷探索和攻關(guān)關(guān)鍵問(wèn)題。氫燃料電池組和燃料電池系統(tǒng)的商業(yè)化和規(guī)模化正在逐步實(shí)現(xiàn)，并有望在近幾年打破進(jìn)口壟斷。
相關(guān)推薦：
儲(chǔ)氫瓶“福音”：國(guó)產(chǎn)碳纖維正在崛起
