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技術(shù) | 燃料電池電堆設(shè)計開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)
更新日期：
2021-07-29
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目前，影響燃料電池推廣應(yīng)用的因素除了加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施和法規(guī)等有待配套完善外，燃料電池的成本、耐久性、低溫性能以及功率密度等仍有待提高。電堆作為燃料電池核心部件，是對外功率輸出的核心，其成本約占燃料電池系統(tǒng)總成本的42%～62%所以電堆的開發(fā)對燃料電池推廣應(yīng)用至關(guān)重要。
目前，國內(nèi)的燃料電池電堆已經(jīng)部分實現(xiàn)了國產(chǎn)化，其中以新源動力以及上海捷氫等為代表的公司，通過自主研發(fā)，已經(jīng)掌握了自主燃料電池電堆的設(shè)計和制造技術(shù)。廣東國鴻等通過合作或引進的方式，也實現(xiàn)了電堆的量產(chǎn)。但總體來看，與巴拉德、豐田和本田等公司的下一代產(chǎn)品仍有一定差距。電堆的整個誕生流程主要包括產(chǎn)品需求定義、設(shè)計目標(biāo)確定、參數(shù)化設(shè)計、仿真計算、電堆制備及優(yōu)化、測試驗證6個方面。
2 燃料電池電堆設(shè)計開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機相似，整車的功率需求、壽命、空間尺寸、成本等是燃料電池電堆的初始設(shè)計輸入。燃料電池電堆的設(shè)計及改進方向，目前就是向傳統(tǒng)內(nèi)燃機看齊，力爭在各方面縮小與內(nèi)燃機的差距，進而突破阻礙其推廣應(yīng)用的掣肘。針對不同的車型及工況需求，燃料電池的電堆設(shè)計存在些許差異。如DOE預(yù)計，2025年，重型車將由3 個電堆并聯(lián)組成391 kW 的燃料電池系統(tǒng)，中型車由2 個電堆并聯(lián)組成202 kW 的系統(tǒng)。結(jié)合美國、歐洲、日本、韓國以及中國的燃料電池相關(guān)規(guī)劃中的內(nèi)容，針對商用車燃料電池電堆的設(shè)計目標(biāo)，可歸納總結(jié)如表1。
表1 各國燃料電池相關(guān)規(guī)劃中電堆性能指標(biāo)
基于整車對電堆的實際使用需求，結(jié)合空氣供給系統(tǒng)中空壓機、燃料供給系統(tǒng)中氫氣循環(huán)泵、冷卻系統(tǒng)中散熱器、電控系統(tǒng)中DC/DC 等關(guān)鍵部件的性能參數(shù)，考慮與擬開發(fā)電堆的匹配性后，即可基本鎖定燃料電池電堆的邊界設(shè)計條件。
燃料電池電堆的設(shè)計邊界條件確定后，即可開展電堆的詳細設(shè)計過程，其中包括燃料電堆各組件的材料、尺寸、性能指標(biāo)、電堆的密封及封裝方式等。燃料電池電堆由承壓端板、絕緣板、密封件、雙極板、氣體擴散層、MEA 以及緊固件等組成，具體見圖1。電堆設(shè)計應(yīng)基于對燃料電池電堆原理的掌握，基于相關(guān)部件的性能和成本掌握，綜合考慮工藝的可實施性。
雙極板的設(shè)計首先應(yīng)基于燃料電池電堆的實際使用如耐久性等，確定電堆雙極板材料的使用類型。金屬板相對更薄，體積功率密度更高，但耐久性相對差，更適用于乘用車。而石墨板耐久性更高，可應(yīng)用于具有更大布置空間的商用車。雙極板的厚度、流道深度、寬度、傾角和總體長度、脊的寬度以及流場形狀、壓降，是雙極板設(shè)計的重點和難點。目前，市售雕刻石墨雙極板的厚度約為1.5～2.5 mm。Ballard 宣稱其掌握石墨板組裝后的厚度降至1 mm 以下。流道的寬度一般為0.5～2.5 mm，深度為0.2～2.5 mm，脊的寬度為0.2～2.5 mm，流道傾角一般為0～60°。流場的形狀有直流場、交趾流場、單蛇形流暢、多蛇形流場，仿生流場和三維流場等。其中筆者所接觸到的多以多蛇形流場為基礎(chǔ)進行設(shè)計改進。流場的溝槽面積與總面積之間的比值為開孔率。考慮到雙極板與其他部件之間的接觸電阻，開孔率宜為40～75%。流場的壓降一般為千帕級?？紤]陽極采用壓差排水，背壓一般為20～80 kPa。膜電極是電化學(xué)反應(yīng)的場所，是電堆的核心，其性能直接決定了燃料電池的性能。市售膜電極的性能一般可達1.2 W/[email protected] V。膜電極由質(zhì)子交換膜和陰陽極催化層組成。市售質(zhì)子交換膜的厚度多為15～50 μm，其中Gore公司開發(fā)的10 μm的薄膜也已經(jīng)被國外主機廠采用。為了提升電堆的整體性能，現(xiàn)多采用增強型質(zhì)子交換薄膜。催化劑主要以貴金屬鉑為主，其中鉑載量陽極為0.02～0.4 mg/cm2，陰極為0.2～0.4 mg/cm2。陽極多采用鉑碳催化劑，陰極采用鉑鈷等合金催化劑。氣體擴散層一般由多孔碳材料組成，包括碳紙基體和微孔層，是傳輸電子、反應(yīng)氣體和生成產(chǎn)物的通道，要求其具有良好的親疏水性平衡、孔隙率、高電導(dǎo)率、低電阻率和良好的機械性能等。市售氣體擴散層的厚度0.15～0.4 mm，孔隙率65%～80%。燃料電池的密封與傳統(tǒng)內(nèi)燃機相似，密封件用于密封雙極板的冷卻流道以及雙極板和膜電極之間的反應(yīng)氣體通道，可采用的材料包括三元乙丙橡膠、氟橡膠、硅膠以及聚異丁烯等。密封件的選擇應(yīng)考慮其在工作期間的溫濕度變化、化學(xué)物質(zhì)腐蝕、氣體滲漏、絕緣性和吸收沖擊振動等性能。目前燃料電池的工作電壓范圍為200～400 V，為了保證電堆使用安全，良好的絕緣保護*。絕緣板放置于2 側(cè)端板和2 端承壓板之間，其確保電堆使用中外殼絕緣，保證使用安全性，要求其具有良好的絕緣性，其材質(zhì)可為硅膠等其他絕緣材料。承壓端板用于壓緊組裝后的電堆部件，要求其具有較大的剛度，以抵御應(yīng)力下的變形，使內(nèi)部電堆的部件形變更一致，接觸更好；具有相對低的密度，可實現(xiàn)減重。常用的承壓端板材料包括鋁合金、不銹鋼和酚醛樹脂等復(fù)合材質(zhì)。電堆的緊固部件根據(jù)封裝形式的不同而有差異。螺栓緊固由螺桿、螺母和墊片等組成，綁帶緊固方式由鋼帶和彈簧墊圈等組成。綜上所述，電堆的組件在選擇和使用時，還要考慮工作邊界條件，如壓力、溫度、濕度、過量系數(shù)比等。溫濕度變化對質(zhì)子交換膜和密封件性能有要求。反應(yīng)氣體工作壓力的提高，有助于提升電化學(xué)性能，但同時對電堆的密封性能會提出更高的要求。目前電堆的工作壓力多數(shù)在150 kPa 左右。部分廠家的電堆工作壓力可達250 kPa。在滿足其他條件的情況下，提高過量系數(shù)比，也有助于提升電堆整體性能，通常過量系數(shù)比為1.5～2.5，陰極過量系數(shù)比略大于陽極過量系數(shù)。2.3 電堆封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計電堆封裝現(xiàn)采用的方式包括螺栓緊固式、綁帶捆扎式。螺栓緊固式是較早采用的方式，其裝配簡單，設(shè)計要點為螺栓數(shù)量、分布、預(yù)緊力的大小以及螺栓預(yù)緊力的次序。綁帶緊固的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)緊湊，可實現(xiàn)相對高的功率密度。其設(shè)計要點包括綁帶材料、綁帶寬度和厚度、綁帶分布數(shù)量和位置。無論是螺栓緊固式還是綁帶捆扎式，主承壓部分均為承壓板，所以承壓板的設(shè)計要基于承壓板材料的剛度和強度，結(jié)合應(yīng)力及形變，確定適宜的承壓板厚度和形狀，有利于實現(xiàn)電堆整體壓力均勻分配，實現(xiàn)輕量化。燃料電池的密封形式包括固態(tài)墊圈密封和液體密封膠密封。其中，液體密封膠密封可分為FIPG(就地成型墊圈)和CIPG(固化裝配墊圈)。固化裝配因其拆卸方便等優(yōu)點被廣泛采用。固化墊圈密封件在設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮其密封高度、彈性模量、硬度、使用溫度、工作介質(zhì)考量因素，以便在電堆裝配和使用過程中，提供足夠的密封性，傳遞接觸力。電堆整體封裝設(shè)計應(yīng)保證整堆應(yīng)力分布、壽命階段內(nèi)的振動和冷熱沖擊耐受性、工藝實現(xiàn)成本因素。在力爭體積緊湊、質(zhì)量降低的情況下，實現(xiàn)電堆的優(yōu)封裝。電堆的體積優(yōu)化可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化材料等方面展開。仿真和實驗結(jié)果表明，長條形的電堆更有利于實現(xiàn)壓力的均勻分布，增大長寬比也有助于減小電流密度的趨膚效應(yīng)作用。減小封裝力矩可以減小承壓端板的厚度進而降低電堆長度。在考慮氣體、液體均勻分配的基礎(chǔ)上，通過長進氣口有利于達到更好的氣體均一性。降低體積為有效的方式即采用更薄的雙極板，實現(xiàn)電堆整體長度的降低。通過密封件和膜電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)更緊湊的結(jié)構(gòu)，也可以降低整體體積。仿真計算驗證是電堆產(chǎn)品開發(fā)中*的重要環(huán)節(jié)。燃料電池因其工作原理涉及多學(xué)科，如電化學(xué)、電催化、熱力學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)等，所以不同維度的仿真設(shè)計、計算工具和理論模型存在較大差異。燃料電池電堆通常是基于二維或三維設(shè)計軟件，如Catia、Proe、Solidworks 和Autocad 等完成外形尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后與相關(guān)仿真設(shè)計軟件包括MATLAB、CFD-計算流體力學(xué)、AVL Fire、Comsol、AmeSim等配合，進行仿真設(shè)計工作。對于已經(jīng)初步完成的電堆整體設(shè)計方案和選定的材料、部件屬性和指標(biāo)，基于仿真計算，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的缺陷，并為原設(shè)計模型提出優(yōu)化意見，可以節(jié)省大量的實際制造時間。3 燃料電池電堆制造關(guān)鍵技術(shù)燃料電池電堆生產(chǎn)制造包括膜電極和雙極板制備、密封及組裝過程和下線檢測。考慮到核心部件和電堆的工藝技術(shù)要求嚴格，綜合一致性要求高，作為產(chǎn)品級的電堆生產(chǎn)制備，必須采用專用的設(shè)備。膜電極按催化劑初始噴涂載體可分為GDE 和CCM 2 種模式。GDE 模式是將催化劑噴涂于氣體擴散層上，然后熱壓夾住中間的質(zhì)子交換膜。CCM 模式是將催化劑直接噴涂在質(zhì)子交換膜上，然后再覆上氣體擴散層。其中因CCM 模式材料利用率高而成為行業(yè)趨勢。CCM 模式又可進一步分為轉(zhuǎn)印法、超聲波噴涂法和卷到卷狹縫擠壓法。目前而言，代雙面轉(zhuǎn)印CCM 工藝和第二代陰極直涂陽極轉(zhuǎn)印工藝仍繼續(xù)被采用。豐田采用卷到卷狹縫擠壓法進行膜電極的生產(chǎn)。雙面噴涂法在解決了質(zhì)子交換膜在膜電極制備中的溶脹、收縮、起皺問題后，其更高的生產(chǎn)效率優(yōu)勢將得以充分顯現(xiàn)。膜電極制備中的催化劑料、溶劑類型和比例、漿料整體粘度、噴涂模具、涂布角度諸多因素影響著膜電極的產(chǎn)品質(zhì)量和性能。有序化膜電極因其助于提高電極中催化劑的利用率、降低Pt 的用量以及增加反應(yīng)的三相界面，近年來其應(yīng)用研究也在不斷深入。圖2是膜電極制備工藝的流程簡介。石墨雙極板的制造主要可分為數(shù)控機械加工和模壓2 種類型，另外少量采用注塑成型。其中模壓是將混合粉料加入預(yù)熱好的模具，固化后得到雙極板，因其適合大批量生產(chǎn)，易于降低制造成本，目前應(yīng)用廣泛。近年來，以Ballard 柔性膨脹石墨板為代表的產(chǎn)品因其較為拙越的性能，也得到了廣泛的關(guān)注。金屬雙極板采用沖壓、液壓、輥壓成型等方式生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，但需要解決流道加工和耐腐蝕鍍層等問題。典型石墨板和金屬板的加工工藝流程如圖3。
圖2 膜電極制備工藝
密封過程如之前所述，以采用固化裝配墊圈為例，主要是將密封材料涂敷于雙極板密封槽內(nèi)，經(jīng)過固化后形成外形尺寸和高度滿足設(shè)計目標(biāo)的密封結(jié)構(gòu)。成形過程中點膠設(shè)備的參數(shù)設(shè)置及固化溫度和時間，對成形的密封件性能有較大影響。目前，燃料電池電堆的組裝方式主要有手動組裝和自動組裝2種。手動裝配在試驗階段和工藝驗證階段，其效率低的劣勢并不明顯。裝配人員借助于定位桿等，將承壓板、絕緣板、集流體、雙極板、膜電極等依次疊羅在一起。在外部加壓裝置的壓縮作用下，壓縮到預(yù)定程度或接觸力后，用螺栓或綁帶緊固在一起。手動裝配由于全過程人為操作，在電堆整體尺寸不大的情況下，可滿足實驗測試要求。但在電堆整體尺寸較大時，累積效應(yīng)產(chǎn)生的裝配誤差以及不一致性，會導(dǎo)致電堆的性能無法達到設(shè)計要求。電堆的裝配一般工藝流程見圖4。自動裝配相較于手動裝配，生產(chǎn)效率更高。借助于自動拾取、CCD 成像等設(shè)備，自動裝配可實現(xiàn)雙極板、膜電極的自動抓取、定位和安裝，整體裝配誤差較低，是未來電堆真正走向商品化后的必由之路。在燃料電池電堆量產(chǎn)階段，為了保證產(chǎn)品的可靠性、一致性和可溯源性，相關(guān)的材料、部件等檢測、記錄手段在電堆制造裝配過程中是必不能少的，如熱成像、CCD 成像、光學(xué)成像、紅外光譜；用于質(zhì)子交換膜、氣體擴散層、膜電極的缺陷檢查如針孔、刮擦、平面不平整度、催化劑團聚；高效智能傳感器用于電堆裝配中接觸壓力分布的實時精密測量記錄；數(shù)字化互聯(lián)系統(tǒng)用于電堆制造全生命周期的數(shù)據(jù)采集、記錄和匯總。
電堆裝配完畢后，需要逐一進行必要的下線測試，包括氣密性測試和電阻測試。這部分內(nèi)容將在下節(jié)電堆測試環(huán)節(jié)中一并介紹。燃料電池測試包括開發(fā)測試、耐久測試和產(chǎn)品定型的性能測試。在不同的設(shè)計階段，為了不同的驗證目的，電堆的測試也分階段進行，包括單電池、短堆和整堆3個部分的驗證，驗證包括氣體分布測試、應(yīng)力分布驗證、性能、加速老化、可靠性、振動、冷熱沖擊和冷啟動。電堆產(chǎn)品終的設(shè)計性能是否滿足要求，是在工程階段按照工藝規(guī)范將樣件組裝成全尺寸電堆后，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行測試后確定。目前，中國已經(jīng)頒布了相應(yīng)的燃料電池測試標(biāo)準(zhǔn)，其中部分標(biāo)準(zhǔn)得到了國際組織的應(yīng)用和采納。已經(jīng)發(fā)布和正在制訂、修訂中的標(biāo)準(zhǔn)如下，其中涵蓋了電堆的多項測試要求。電堆的電阻測試是通過對膜電極、雙極板等部件的接觸電阻的測試來考察電堆的裝配是否達到預(yù)定工藝要求。較低的電阻值可以保證電堆部件之間的充分接觸，大限度降低電堆使用過程中的歐姆極化損失。由于采用的雙極板、膜電極等材料和裝配控制上的差別，電堆生產(chǎn)企業(yè)的內(nèi)控值多不對外公布。
氣密性測試包括測試電堆整體的外部和內(nèi)部竄氣、漏液。氣體的外漏尤其是氫氣的外漏，降低了氫氣的利用率，并會給整個電堆帶來極大的安全隱患。內(nèi)部的竄氣，將降低電堆對外功率的輸出。此項測試根據(jù)電堆設(shè)計的不同，控制指標(biāo)也不盡相同。相對簡單的測試方法是通過充氣保壓測試一定時間的壓降，而更為的控制方式則是計算單位時間內(nèi)通過單位面積的氣體體積。耐久性測試用來衡量電堆使用壽命，目前并無統(tǒng)一的測試標(biāo)準(zhǔn)。衡量電堆耐久性的方法包括臺架測試與實際路試。臺架測試包括工況法和加速耐久法，實際路試作為更可靠性的方法也被電堆生產(chǎn)企業(yè)和整車企業(yè)所采用。臺架測試工況可參考DOE 測試工況，加速耐久法多為電堆開發(fā)企業(yè)借助于采集的典型工況形成倍率因子加速測試。隨著對設(shè)計開發(fā)的電堆了解的深入，對相關(guān)控制參數(shù)對電堆性能相互作用的掌握，電堆生產(chǎn)和整車企業(yè)，需要建立耐久性測試方法和標(biāo)準(zhǔn)，形成核心技術(shù)。燃料電池電堆的性能將因基礎(chǔ)理論、材料、部件等研發(fā)成果的應(yīng)用，在輸出、功率密度、耐久性和低溫性能等方面將不斷提升，如在比功率方面，將由目前的2.5～3.0 kW/L，逐步提升至3.5～4.0 kW/L 甚至更高，耐久性將超過20 000 h，低溫情況在-40 ℃實現(xiàn)啟動。同時隨著產(chǎn)量的增加，其成本也將顯著降低，使其更具備推廣應(yīng)用的價值，為節(jié)能減排做出重要貢獻。燃料電池電堆的開發(fā)流程，也將隨著產(chǎn)品化的深入，在零部件供應(yīng)商和核心制造企業(yè)之間，形成優(yōu)勢互補，并持續(xù)優(yōu)化完善。（2）熟練的技術(shù)隊伍和先進的開發(fā)流程專業(yè)的電堆開發(fā)，人力資源是關(guān)鍵。在產(chǎn)品定義和設(shè)計階段，實現(xiàn)平臺化產(chǎn)品和模塊化產(chǎn)品設(shè)計，充分汲取并應(yīng)用基礎(chǔ)研究和材料的改進創(chuàng)新的成果，才能促進技術(shù)不斷提高和改進，從而實現(xiàn)電堆性能的整體提升。產(chǎn)品制造階段，未來電堆必將實現(xiàn)自動化組裝，從而大限度降低制造成本。借助于優(yōu)化的工藝流程、先進的制造設(shè)備和檢測設(shè)備，將顯著提高電堆的裝配質(zhì)量，減少制造過程中的產(chǎn)品缺陷，實現(xiàn)問題的閉環(huán)管理和追蹤溯源。（4）適當(dāng)、科學(xué)且不過剩的測試能力平臺產(chǎn)品測試階段在在滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的基礎(chǔ)上，積累形成企業(yè)的評價方法，掌握核心技術(shù)，應(yīng)對不同層次產(chǎn)品開發(fā)需求。這一切的實現(xiàn)，有賴于測試能力平臺的建設(shè)。測試能力平臺建設(shè)，要兼顧當(dāng)下產(chǎn)品在性能和耐久測試等方面的實際通過量需求，又要考慮產(chǎn)品未來3～5年的發(fā)展需求。建立燃料電池電堆產(chǎn)品的差異化開發(fā)流程，完善從需求定義、產(chǎn)品定義、產(chǎn)品設(shè)計以及試制驗證各個階段的工作方法，補齊測試評價短板，加速產(chǎn)品開發(fā)進度。通過對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累分析，掌握內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，實現(xiàn)技術(shù)傳承。
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朱穎
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