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氫燃料電池汽車主要由幾個部分組成,有電池系統(tǒng)、驅動電機系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、輔助儲能系統(tǒng)、車載儲氫系統(tǒng)等,其中今天介紹的石墨雙極板是燃料電池堆的核心部件。
質子交換膜燃料電池組是正極板,由MEA(膜電極)和負極板組成的單電池的一個串聯(lián)組裝而成。一般來說,單電池的使用電壓為0.6~0.85V,在集成燃料電池組時,可以根據需要選擇單電池的串聯(lián)數。作為質子交換膜燃料電池組的重要組成部分,雙極板的質量分別為燃料電池組的60~80%、80%、成本占20%至40%,幾乎占整個燃料電池組的總體。
由于雙極板在氫燃料電池反應堆中的作用主要起到漏電、支撐導電的作用,因此其本身的雙極板具有一定的性能要求。
另一方面要求高的電導率,因為它需要一定的機械強度。
除導電性外,氣密性也良好
另一個正在使用中,在雙極板環(huán)境中需要良好的耐蝕性,滿足與車輛同等的使用壽命
另外,我們的車這個應用對成本很敏感,極板的制造效率很高,所以要降低它的制造成本。
目前雙極板主要分為兩種,一種是金屬極板,一種是石墨極板,石墨目前使用較多的是壓制的雙極板,目前參數不同的雙極板有各自的優(yōu)點,但也有一些缺點,這兩個詞可以說是相互競爭,也可以說是相互補充。
金屬雙極板的主要優(yōu)勢是其機械強度好、氣密性好、能使極板變薄,在功率密度這一區(qū)域有很大優(yōu)勢,但存在的問題是腐蝕性問題,使用壽命還存在一些問題。
對于石墨板來說,包括導電、導熱、耐腐蝕性在內的塊,包括耐久性在內的塊比較強,但對于目前的石墨板來說,由于目前機械強度的原因,雙極板整體厚度變厚了,所以這堆體積比較大。
此外,還有復合雙極板,嚴格意義上可以說是石墨基的雙基板,其主要成分包括樹脂、導電材料,采用壓制工藝成型;石墨雙極板相對來說可以在金屬雙極板和傳統(tǒng)石墨雙極板之間達到性能平衡;由于具有較高的機械強度和較高的韌性,在材料組合設計中可以形成該產品的薄度,而且氣密性好,但目前生產的工廠很少。
氫燃料電池汽車目前以商用車為主,商用車電池的體積和重量不如轎車敏感,主要采用石墨雙極板。氫燃料電池商用車使用的石墨雙極板,目前市場價格為每套150韓元左右,而搭載75kW電力反應堆的商用車所需的雙極板數為300套裝內外,僅雙極板成本就在4.5萬韓元左右,整個電反應堆成本就高達10多萬韓元。由此可見,石墨雙極板加工行業(yè)目前產量較高。
2020年市場上燃料電池系統(tǒng)的應用主要以商用車為主,其中核心部件燃料電池堆以石墨極板堆為主,從未來的發(fā)展來看,石墨雙極板仍將長期占據商用車市場的較大份額。
石墨作為熱和電的良導體,具有高電導率、化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及耐腐蝕性、低密度等優(yōu)點,用于制作雙極板具有先天獨特的優(yōu)點。
石墨是一種多孔脆性材料,強度低,延展性差(較脆),難以滿足雙極板的氣密性要求,加工時需要反復浸泡石墨并進行碳化處理,制備出具有良好氣密性的無孔石墨雙極板。
因此,石墨雙極板在加工制造時對制造工藝有較高的要求。否則,容易制造的雙極板具有較高的孔洞,氣密性差,在組裝燃料電池組時,不僅會影響電反應堆的整體性能,還會導致氫泄漏,造成安全隱患。