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氫燃料電池汽車,石墨雙極板介紹

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點(diǎn)擊次數(shù):621 更新時(shí)間:2022年03月29日11:59:28 打印此頁(yè) 關(guān)閉

前一段時(shí)間我們發(fā)布了一篇關(guān)于氫燃料電動(dòng)汽車前景的文章,我們認(rèn)為北京冬奧會(huì)是氫能源汽車一個(gè)很好的應(yīng)用場(chǎng)景,低溫使用,全周期幾乎沒(méi)有碳排放。未來(lái)氫燃料電池和鋰電池以及燃油將三分天下。氫燃料電池汽車主要有幾個(gè)部分組成,電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)、車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)等。其中今天要介紹的石墨雙極板就屬于燃料電池堆里面重要的部件。





質(zhì)子交換膜燃料電池堆是由一片片單電池串聯(lián)組裝而成的,其中,單電池由陽(yáng)極板、MEA(膜電極)以及陰極板組成。通常,單電池的使用電壓為0.6~0.85V,在集成燃料電池堆時(shí)可根據(jù)需要選擇單電池的串聯(lián)數(shù)量。作為質(zhì)子交換膜燃料電池堆的重要組件,雙極板的質(zhì)量占燃料電池堆的60~80%,成本占20~40%,并且?guī)缀跽紦?jù)了整個(gè)燃料電池堆的全部體積。


石墨板電堆(來(lái)源:氫璞創(chuàng)能官網(wǎng))


雙極板在氫燃料電池電堆里面起的作用主要是引流、支撐導(dǎo)電的作用,所以它本身雙極板有一定的性能要求:

  • 一方面要求電導(dǎo)率高,因?yàn)樗休d著需要有一定的機(jī)械強(qiáng)度;

  • 另外在導(dǎo)流電以外,還要?dú)饷苄员容^好;

  • 還有一個(gè)是在使用過(guò)程中,因?yàn)殡p極板環(huán)境下需要有一個(gè)良好的耐腐蝕性能,需要滿足跟車輛同等的使用壽命;

  • 另外在對(duì)于我們汽車這一塊應(yīng)用的話,還有一個(gè)比較敏感的就是成本,所以需要極板制造效率高,需要降低它的制造成本。



金屬雙極板


目前雙極板其實(shí)主要可以分為兩大類,一種是金屬極板,一種是石墨極板。石墨現(xiàn)在用得比較多的就是模壓的雙極板。在這一塊目前不同參數(shù)的雙極板有各自的優(yōu)勢(shì),但相應(yīng)來(lái)說(shuō)也會(huì)存在一些缺點(diǎn),所以這兩種的話可以說(shuō)是一個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng),也是一個(gè)相互補(bǔ)充。


金屬雙極板主要優(yōu)勢(shì)是它的機(jī)械強(qiáng)度好,氣密性好,極板可以做得很薄,在功率密度這一塊是很大的優(yōu)勢(shì),但存在的問(wèn)題是腐蝕性的問(wèn)題,導(dǎo)致使用壽命目前是存在一些問(wèn)題的。


而石墨板的話在導(dǎo)電、導(dǎo)熱,包括耐腐蝕性這一塊、使用壽命這一塊是比較強(qiáng)的,但是目前石墨板的話其實(shí)無(wú)論是哪一種,目前因?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度方面的原因,導(dǎo)致整個(gè)雙極板的厚度這一塊是偏厚的,所以我們這個(gè)電堆做起來(lái)的體積是偏大的。


此外還有一種復(fù)合雙極板,其實(shí)從嚴(yán)格意義來(lái)說(shuō)也算是一種石墨基的雙基板,它的主要成分包括樹(shù)脂、導(dǎo)電材料,采用模壓工藝進(jìn)行成型。石墨雙極板相對(duì)來(lái)說(shuō)其實(shí)在金屬雙極板和傳統(tǒng)的石墨雙極板之間可以說(shuō)是做一個(gè)性能的平衡,具有比較高的機(jī)械強(qiáng)度和比較高的韌性,所以在材料的配套設(shè)計(jì),可以帶來(lái)這個(gè)產(chǎn)品的輕薄,另外氣密性比較好,不過(guò)目前生產(chǎn)的廠家少。



氫燃料電池汽車目前以商用車為主,商用車對(duì)電池的體積和重量沒(méi)有乘用車那么敏感,采用的是石墨雙極板為主。以氫燃料電池商用車使用的石墨雙極板為例,目前市場(chǎng)價(jià)為150元一組左右,而一輛搭載了75千瓦電堆的商用車需要的雙極板數(shù)量為300組左右,僅雙極板成本就高達(dá)4.5萬(wàn)元左右,整個(gè)電堆的成本達(dá)十幾萬(wàn)元??梢?jiàn)石墨雙極板加工行業(yè)目前的產(chǎn)值很高。


氫能源大巴


在2020年市場(chǎng)中燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用主要以商用車輛為主,其中的核心部件燃料電池電堆以石墨極板電堆為主,從未來(lái)的發(fā)展來(lái)看石墨雙極板仍然會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占有商用車市場(chǎng)的較大份額。


石墨是熱和電的良導(dǎo)體,具有較高的電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及耐腐蝕、低密度等優(yōu)點(diǎn),用于制作雙極板具有先天獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。


由于石墨是一種多孔的脆性材料,強(qiáng)度低、延展性差(比較脆),難以滿足雙極板的氣密性要求,因此在加工時(shí),需要對(duì)石墨進(jìn)行反復(fù)浸漬、碳化處理從而制造成無(wú)孔的具有良好氣密性的無(wú)孔石墨雙極板。


因此石墨雙極板在加工制造時(shí)對(duì)制造工藝具有很高的要求,否則就容易使得制造成的雙極板具有較高的孔隙,氣密性較差,裝成燃料電池堆不僅影響電堆的整體性能,還有可能導(dǎo)致氫泄露,造成安全隱患。


那么石墨雙極板為何占據(jù)著如此大的市場(chǎng)份額,它又是怎樣一步步從石墨變成雙極板呢?下面小編就來(lái)一起了解:


1. 原材料準(zhǔn)備

1000-1300℃的高溫下將焦炭和瀝青混合后化形成碳素然后將碳素材料浸漬瀝青、烘焙,再用電熱爐在2500-3000℃的高溫下進(jìn)行石墨化。


2. 切片

根據(jù)雙極機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行初步地粗略切片處理。


3. 浸漬

切片后進(jìn)行樹(shù)脂浸漬處理,填塞石墨表面和內(nèi)部孔隙,通常浸漬24小時(shí),然后進(jìn)行熱處理使樹(shù)脂固化。根據(jù)浸漬樹(shù)脂的不同,又分為酚醛浸石墨和糠醇浸石墨等。


4. 打磨

切片后的雙極板尺寸較為粗糙,浸漬后的石墨雙極板的表面光潔度也差,因此需要進(jìn)行打磨其中打磨又包括粗磨、中磨和細(xì)磨。


5. 雕刻加工

雕刻加工是雙極板生產(chǎn)制造的關(guān)鍵步驟,雙極板的尺寸公差及流場(chǎng)質(zhì)量均取決于雕刻機(jī)的精度。


來(lái)源:艾邦高分子

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