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[电池材料] 国内燃料电池电堆技术进展综述

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发表于 2020-5-20 09:12:15 | 显示全部楼层 |阅读模式

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国内燃料电池电堆技术进展综述

许德超 赵子亮 赵洪辉 盛夏 金守一

(中国第一汽车股份有限公司 新能源开发院,长春 130011)

中国汽车材料网【摘要】国际氢能与燃料电池汽车大会是国内燃料电池行业举办的国际一流的年度行业盛会,聚集全世界氢能与燃料电池技术的开发者、燃料电池汽车制造商、氢能燃料电池领域投资者和政府政策的制定者,携手促进氢能及燃料电池汽车的商业化发展。本文以第四届氢能与燃料电池汽车大会内容为基础,结合目前行业发展现状对国内燃料电池电堆、膜电极以及双极板的技术进展和发展趋势进行了简要阐述。

主题词:燃料电池电堆 双极板 催化剂 膜电极 燃料电池汽车

1 前言
质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、功率密度高、噪音低以及零排放等优点,受到各国政府和研究机构的广泛关注,未来预计可应用于汽车、飞机、列车等交通工具以及固定电站等诸多领域。当前,全球变暖和空气污染等因素不断压缩化石能源的使用空间;另一方面,摆脱对石油等不可再生能源的依赖已成为未来可持续发展的重要命题。因此,对风能、太阳能、潮汐能等多种清洁能源的发展和利用能力越发关键。而氢能恰恰可以成为促进清洁能源利用的一种最佳媒介,其通过电能与化学能的转变,可以实现分布式制取,储运,利用等多种途径。而燃料电池汽车不同于纯电动汽车的是,它实现了上游发电和终端用电在时间上的“分离”,进而使得氢能相比于波动性较大的风能和太阳能(纯电动车技术路线)的互补能力更强。因此,发展氢能和氢燃料电池具有巨大的能源战略意义[1]。
当前,氢燃料电池汽车已经进入市场导入期,以日本丰田Mirai、本田Clarity和韩国现代Nexo为代表的燃料电池汽车已经实现商业化,其在车辆性能和续航里程等方面已经可以媲美传统燃油车水平。乘用车用燃料电池电堆功率级别一般在100 kW左右,而商用车用燃料电池电堆功率级别则通常在30~200 kW范围内[2]。
受技术储备、基础设施及综合成本等多种因素的影响,近年来,我国燃料电池商用车实现了快速发展,发展速度明显快于燃料电池乘用车。经过十几年的研发投入,我国燃料电池技术趋于成熟,以福田欧辉、郑州宇通、佛山飞驰等为代表的燃料电池客车正逐步开始市场化进程,燃料电池物流车目前也已具备商业化发展条件。根据中国汽车工业协会统计,截至2018年12月,我国燃料电池汽车销售量已达到1 527辆[10]。
2019年9月26~28日,第4届国际氢能与燃料电池汽车大会在江苏如皋举办。国际氢能与燃料电池汽车大会是国际一流的年度行业盛会,由国际氢能燃料电池协会(筹)和中国汽车工程学会共同主办,聚集全世界氢能与燃料电池技术的开发者、燃料电池汽车制造商、氢能燃料电池领域投资者和政府政策的制定者,携手促进氢能及燃料电池汽车的商业化发展。
本次大会为期3天,1场全体大会、6场主题分会、5场边会,100余场主题演讲与分享,内容涵盖国内外氢燃料电池汽车及氢能燃料电池的政策、标准及产业发展情况、最新氢气规划发展及制取/储存/运输技术、氢能基础设施建设等热门话题,定位于加强跨氢能与燃料电池整个产业链的全球合作,更好地为氢能燃料电池的发展提供对接全球的资本和市场平台。笔者结合本次氢能与燃料电池汽车大会中涉及到电堆的技术报告和展览与目前行业发展现状,对国内燃料电池电堆、双极板、膜电极等核心技术和产品的发展现状与趋势进行梳理。

2 国内电堆企业技术进展
氢燃料电池堆是整个燃料电池产业链的核心部分。其性能和成本直接决定了燃料电池产业化进程。评价氢燃料电池电堆性能的指标主要包括其耐久性、启动温度以及比功率,其中比功率是近两年国内外研究机构和企业重点攻克的方向之一。目前,国内电堆企业正在迅速崛起,无论是从膜电极、双极板等核心零部件技术突破方面还是从整堆功率等级,以及功率密度方面都有了长足的进步。下面笔者将对新源动力、捷氢科技、神力科技、国鸿氢能、中氢科技、明天氢能、江苏清能、弗尔赛、南通百应、上海氢晨等国内主要车用电堆企业的技术进展进行梳理。

2.1 新源动力
新源动力股份有限公司成立于2001年,是中国第一家致力于燃料电池产业化的股份制企业。2018年通过IATF 16949质量管理体系认证,掌握了燃料电池电堆及零部件正向开发、批量制造工艺的核心技术。现有电堆产品型号有HYSTK-30、HYSTK-40和HYSTK-70,分别对应于额定功率为25 kW、35 kW和70 kW的燃料电池电堆产品。图1中HYSTK-70为公司研发的第3代车用质子交换膜燃料电池电堆,采用金属双极板,峰值功率为85 kW,工作电压范围为230~370 V,其空气侧最高工作压力为250 kPa,工作温度范围为-30~87℃,防护等级为IP67,抗震性能满足SAEJ2380-2009标准要求,绝缘性能≥2 MΩ,可以实现-40℃储存和低温-30℃启动。在阴极无外增湿的操作条件下,稳定输出功率达70 kW,电堆功率密度达到3.4 kW/L[3]。

图1 新源动力HYSTK-70电堆[3]




2.2 捷氢科技
上海捷氢科技有限公司成立于2018年6月,主要从事燃料电池电堆、系统及储氢系统的研发,捷氢科技是上汽集团进一步完善新能源产业链的一个关键布局。公司目前已完成PROME P240、PROME P260和PROME P390三款燃料电池系统的研发,其中P240产品应用在大通FCV80轻客,系统功率为40 kW;P260产品应用于申沃燃料电池客车上,系统功率为66 kW;公司已掌握系统及对应的自主电堆核心技术。目前,图2中P390系统已完成开发并交付整车,其电堆功率115 kW、功率密度3.1 kW/L、低温冷启动温度-30℃,关键性能指标已达到国际先进水平,与丰田等国际一流燃料电池车企的技术指标接近[4]。

图2 捷氢科技P390燃料电池电堆系统[4]




2.3 神力科技
神力科技成立于1998年6月,是我国第一家氢燃料电池电堆高新技术企业。2015年神力科技成为北京亿华通科技股份有限公司的控股子公司。其研发生产的电堆产品主要应用于商用车,如图3所示。体积功率密度达到2.2 kW/L。其中SFC-MD系列燃料电池模块的额定功率可以达到47 kW,工作温度范围-30~75℃。而SFC-HD系列大功率燃料电池模块的额定功率可以达到76 kW,工作温度范围-30~85℃,可实现-20℃低温启动[5]。

图3 神力科技电堆产品[5]




2.4 国鸿氢能
广东国鸿氢能科技有限公司成立于2015年6月。在2016年7月,与加拿大巴拉德公司签订了战略合作协议,成立国鸿巴拉德合资公司,负责巴拉德FCvelocity-9SSL电堆的生产和组装。其电堆产品使用巴拉德膜电极产品,额定功率最高为30 kW。具有良好的单电池一致性,工作寿命超过12 000 h。该公司的电堆产能为20 000台/年[6]。

2.5 明天氢能
安徽明天氢能科技股份有限公司成立于2017年8月,依托中国科学院大连化学物理研究所数十年的技术积淀,成功开发出商业化的金属双极板燃料电池电堆。其体积功率密度达到3.0 kW/L,接近3.1 kW/L的国际先进水平,电堆功率范围覆盖20~100 kW。目前30 kW、40 kW、50 kW、60 kW电堆已通过国家认证,74 kW电堆已在2019世界制造业大会上公开亮相,如图4所示。其工作温度为-30~80℃,空气侧最高工作压力为250 kPa[7]。

图4 明天氢能电堆产品[7]




2.6 中氢科技
中氢科技,中国能源工程集团氢动力有限公司由中国能源工程集团有限公司联合北京航天动力研究所、清华大学核能与新能源研究院于2018年注册成立,业务板块主要以氢燃料电池、系统集成方面的合作为基础,推动氢燃料电池在车辆、无人机等各领域的应用。该公司现有50 kW/60 kW金属板液冷电堆,体积功率密度可达4.0 kW/L,质量功率密度为3.0 kW/kg,工作温度要求低于90℃[8]。

2.7 空间电源所
上海空间电源研究所隶属于中国航天科技集团有限公司第八研究院,自2001年起开展燃料电池研究。现有电堆产品型号包括MFCS-18、MFCS-36、MF⁃CS-60、MFCS-90和MFCS-120,分别对应额定功率为18 kW、36 kW、60 kW、90 kW和120 kW。皆为金属双极板电堆,体积功率密度≥3.0 kW/L,额定效率≥55%,最大空气侧进气压力可达300 kPa,使用寿命≥5 000 h,防护等级为IP67,抗震性能好,通过150 000 km强化测试,满足SAEJ2380-2009标准要求[8]。

2.8 南通百应
南通百应能源有限公司创立于2011年,是一家专业从事氢燃料电池的研发与生产企业,掌握了从膜电极生产、电堆组装、系统集成到整车装配的全产业链核心技术。南通百应现已研发出410 cm2的超大膜电极产品和对应的60 kW氢燃料电池电堆产品。该电堆产品使用石墨双极板,效率大于55%,峰值功率为68 kW。此外,该公司还有活性面积为250 cm2的金属双极板电堆产品和活性面积为320 cm2的石墨双极板电堆。其中金属板电堆,空气侧最高工作进气压力为185 kPa,最大功率可以达到50 kW;而石墨双极板电堆空气侧最高工作压力为170 kPa,最大功率可以达到60 kW[8]。

2.9 弗尔赛
弗尔赛能源科技股份有限公司成立于2009年,目前公司已形成车用燃料电池和固定电源系统两大产品开发平台,燃料电池模块、车用燃料电池发动机、固定式燃料电池电源三大产品系列,其电堆产品采用超薄石墨双极板技术,体积功率密度可达2.5 kW/L。电堆产品覆盖3~80 kW,其中80 kW电堆如图5所示,其额定功率为82 kW,峰值功率86 kW,可实现-30℃低温启动[8]。

图5 弗尔赛80k W燃料电池电堆模组[8]




2.10 江苏清能
江苏清能是一家质子交换膜燃料电池电堆及系统供应商,是国内唯一一家批量出口燃料电池产品的企业。母公司清能燃料电池集团已潜心从事燃料电池核心技术开发和商业化16年。今年成功开发出商用车用95 kW燃料电池系统,电堆功率达到120 kW,系统95%以上零部件均已实现国产化[8]。

2.11 上海氢晨
上海氢晨新能源科技有限公司,成立于2017年12月。公司核心团队与核心技术源自上海交通大学,经过近10年的持续研发,已累计开发出50 kW、80 kW和100 kW级(图6)3代具有自主知识产权的车用燃料电池电堆,体积功率密度达到3.3 kW/L[9]。

图6 氢晨新能源100 kW级燃料电池电堆[9]




此外,国家电投集团氢能科技发展有限公司,东方电气(成都)氢燃料电池有限公司等企业也都纷纷加大投入力度进行自主燃料电池电堆的研发和生产。
可以看出,我国燃料电池电堆行业正大踏步向前发展,新的技术突破和产品不断涌现。这一方面,体现出我国电堆产业正处于一个加速飞跃期,技术水平和资本投入齐头并进;另一方面,也引发了对膜电极、双极板等零部件核心技术国产化水平进一步提升的迫切需求。

表1 国内部分电堆厂家技术水平对比



表1列出了国内部分电堆厂家现有电堆产品已经公开的主要技术参数,包括功率等级、功率密度、冷启动温度以及寿命。并与氢燃料电池汽车技术路线图中规划的2020年目标值进行了对比。可以看出,现阶段国内电堆性能水平基本达成了路线图的规划值,美中不足的是对寿命的关注和测试尚不够充分,仅新源动力一家完成测试并达成了5 000 h。

3 国内膜电极技术进展
燃料电池膜电极(MEA)是燃料电池电堆的核心零部件,是燃料电池发生电化学反应的场所,其性能直接决定着燃料电池的发电能力及寿命。MEA通常由质子交换膜、阴-阳极催化层、阴-阳极气体扩散层等5层组成。为了便于膜电极在电堆中密封,有时也会在膜电极非活性区域加入2层保护层,称为7层MEA。
近年来,我国质子交换膜技术近年来发展迅速。在技术研发方面,大连化学物理研究所和武汉理工大学都在积极研发复合膜技术。在产业化方面,亚洲最大的氟化工企业山东东岳联合上海交通大学实现了复合膜的产业化。近年来开发的DF260膜性能出色,具备规模化生产能力,其采用的ePTFE增强复合膜结构,厚度达到15μm,在开路电压(OCV)情况下耐久性大于600 h;膜运行时间达到6 000 h;在干湿循环和机械稳定性方面,循环次数超过20 000次。该膜技术已经成熟并已定型量产,第2代规划产能200 000 m2。但总体而言,国内质子交换膜的开发大多还是处于实验室阶段,商业产品与美国戈尔有限公司为代表国际一流产品在综合性能上还存在一定差距[10]。
在催化剂方面,国内目前依然处于实验室研制及开发阶段,还未形成有竞争力的产业化产品,大部分产品需求依赖进口。选择合适的技术路线实现小批量试制向大规模工业化生产转化是当前面临的主要问题[11]。
在气体扩散层方面,国内尚处于小规模生产阶段。上海河森公司生产的质子交换膜燃料电池专用高性能气体扩散层,具备1 000 m2/月的生产能力。目前国内开发的气体扩散层,其原材料多为进口。国内虽有自主开发的材料,但整体的产品状态并不能达到商业化要求。长远来看,气体扩散层作为膜电极关键组成材料之一,其国产化的突破与量产,对降低中国燃料电池成本与推广应用具有重要意义。
过去数十年里,MEA技术已经取得巨大突破。贵金属用量已从20世纪80年代的8 mg/cm2下降到如今的0.102 mg/cm2,同时,MEA性能和寿命还有了很大程度的提升[5]。目前,国际上MEA技术研究的重点仍然集中在性能、寿命以及成本上。近年来,国内燃料电池MEA的开发也取得了较大进展。中国科学院大连化学物理研究所、武汉理工大学等在国家“863”项目的支持下进行了低成本、高性能MEA研究,国内MEA技术可实现Pt载量0.3 mg/cm2,功率密度1 400 mW/cm2,单电池MEA寿命超过5 600 h,与国际先进水平相当[12]。
膜电极作为核心技术,国家长期支持该技术的研发并制订了明确的研发目标。根据《国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”等重点专项2019年度项目申报指南》,到2023年底,国家在膜电极领域的技术目标为:电流密度达到2 A/cm2@0.62 V,0.3 A/cm2@0.8 V,铂载量要低于0.4 mg/cm2,抗反极时间大于100 min,200次反极试验后性能衰减小于5%,寿命大于20 000 h,产能大于每年200 000 m2[13]。当前国内膜电极生产厂家总数已经超过15家,主要有大连新源动力股份有限公司、武汉理工氢电科技有限公司、苏州擎动动力科技有限公司、东方电气(成都)氢燃料电池科技有限公司、还有上海唐锋、鸿基创能等,其中鸿基创能一家产能达到300 000 m2,总产能超过360 000 m2,已经能够满足当前的产业化需求,下一步重点应放在进一步提升性能、寿命和降低成本方面[12]。笔者整理了国内膜电极生产企业的产能布局与技术现状,如表2所示。

表2 国内膜电极生产企业产能布局及技术水平对比



从表2中可以看出,目前国内膜电极技术功率密度可以达到1.2 W/cm2,铂载量可降至0.3 g/kW以下。已经达到或超过了我国氢燃料电池汽车技术路线图中规划的2020年目标值:功率密度为1.0 W/cm2,铂载量为0.3 g/kW。

4 国内双极板技术进展
双极板是燃料电池中的重要部件,一般具有复杂的微细流场结构,发挥分配水气、支撑其他部件、收集电流等功能,其质量直接影响电堆的输出功率和使用寿命。根据美国能源部2017年发布的燃料电池系统成本报告估计,在燃料电池系统年产量在1 000台的情况下,双极板成本占整个系统成本的18%;但是随着系统年产量增至500 000台,由于其他零部件的批量成本下降较多,金属双极板成本所占比例将激增至28%。因此,实现双极板的大批量低成本制造对降低燃料电池汽车成本、推进燃料电池汽车商业化具有重要意义[10]。
然而,双极板工作时所处的环境十分复杂,需要克服pH值2~3的强酸性和潮湿环境,另外较高的运行温度(65~90℃)无疑会加速它的老化[14]。石墨具有优异的导电性和抗腐蚀能力,因而是制造双极板的理想材料,但天然石墨疏松多孔,并且脆性较大,所以石墨通常被压制成几毫米的厚板来抵抗机械破坏和提高致密性,这必然会大幅提高制造成本和增加整个电池组件的质量[15]。
金属基材双极板相比石墨双极板具有以下优势:
(1)金属具有良好的延展性,可采用高精度塑性成形工艺来制备具有复杂微流道特征的双极板,具有高效、高一致性等优点。
(2)金属强度一般比石墨高,因此极板厚度可以大大降低(目前主流极板大多采用0.05~0.2 mm厚金属板),相比1~2 mm厚的石墨双极板可大幅降低电堆的体积和重量,功率密度指标优势突出。
(3)金属的韧性较好、不易断裂,因此金属双极板特别适于工作在高振动的复杂动态工况。
此外,金属的高导电、高导热特性也使其成为双极板的优良材料。但是金属双极板也存在问题,比较突出的是其耐腐蚀性较差,因此需要对金属双极板表面进行改性处理,以保证其寿命。综合来看,金属双极板已成为燃料电池汽车电堆材料的不二之选[10]。
近年来,国内金属双极板技术取得显著性进展。在极板设计方面,在市场和政策的牵引下,上汽集团联合新源动力、上海交大等开发了100 kW级300型电堆的金属极板;新源动力联合上海治臻开发了极板,电堆功率达80 kW以上,功率密度达2.85 kW/L(含端板);另外,武汉理工大学与上海治臻联合开发的金属极板,其电堆功率密度也达到2.7 kW/L。此外,大连化物所、航天811所等单位也开发了多型号金属极板并进行了电堆试制,积累了大量实际经验;但目前国内金属极板的流道构型还主要以二维流场为主。在一致性精密制造方面,国内技术逐渐达到较高的水平,在高精度成形、焊接热变形控制等方面达到甚至代表了国际上的一流水平,国内有代表性的单位有上海交大/上海治臻团队、武汉理工大学、大连化物所等。在耐久性方面,近年来,上海交大、大连理工、常州翊迈等研究单位开发了石墨基、钛铬基等多种复合涂层,并在平衡涂层性能与成本方面做了许多努力,极板性能持续提升。目前上汽集团、新源动力与上海治臻联合开发金属极板量产涂层技术,按乘用车工况经过5 010 h的测试,满足5 000 h的寿命要求,基本达到了国际一流水准。上海治臻还建立了国内首条金属双极板连续生产线,设计产能为500 000件/年。目前其量产金属双极板产品在精度、寿命、一致性上都达到上汽集团量产技术要求。但是极板成本距离美国能源部制定的3美元/kW的指标仍然有距离[8]。
表3 国内双极板技术水平与目标对比



表3列出了我国目前金属双极板当前技术现状与氢燃料电池汽车技术路线图中规划的2020年目标值和美国DOE目标值进行了对比。可以看出,国内部分厂家研发的金属双极板已经超过了美国DOE规定的目标。

5 结束语
近两年来,我国燃料电池行业发展迅速,从质子交换膜、膜电极、双极板等核心技术投入和研发到燃料电池整堆技术的开发与生产都有了长足的进步。本文详细梳理了国内燃料电池相关团队和企业最近技术进展。可以看出,当前国内燃料电池电堆行业呈现出以下发展趋势:
(1)高功率密度、大功率车用电堆国产化加速,捷氢科技、新源动力、明天氢能等企业纷纷推出60 kW以上车用电堆产品并逐步投入应用;
(2)膜电极和金属双极板性能和可靠性大幅度提升;
(3)国内质子交换膜、气体扩散层等基础材料技术尚未形成有效突破,未来还需继续发力。

参考文献
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[2]侯明,邵志刚,衣宝廉.车用燃料电池电堆比功率提升的技术途径探讨.中国工程科学,2019,21(3).
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[5]神力科技.燃料电池模块[EB/OL].[2019-11-28].http://www.sl-power.com/dd/index_9.aspx.
[6]国鸿氢能.MP30车用燃料电池模块[EB/OL].[2019-11-28].http://www.sinosynergypower.com/.
[7]明天氢能.燃料电池电堆[EB/OL].http://www.mth2.com/Product/FuelCell/.
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