国产质子交换膜燃料电池关键材料及部件的电池组性能

国产质子交换膜燃料电池关键材料及部件的电池组性能国产质子交换膜燃料电池关键材料及部件的电池组性能 第 卷第 期 月机械工程学报 国产质子交换膜燃 电池关键材 及部件的电池组性能 木邢 敏侯中军燕希强宋书范付云峰赵恩介明平文 新源动 股份有限公司 燃 电池及氢源技术国家工程研究中心大连 摘要基于质子交换膜燃 电池 技术的实际应用要求 针对其国产关键材 和部件 包括电催化剂 质子交换膜 炭纸 双 极板 进 性能表征 电池组制造工艺开发和电池组应用性能研究 结果表明国产炭纸 复合质子交换膜 复合催化剂以及薄型 锈钢双 极板无论是在基本性能还是在电池组应用方面都达到了国外同类产 品的水平 能够满足车用燃 电池发动机的要求 目前 复合质子交换膜产品已实现批 生产 炭纸和复合催化剂已具 备批 制造能 薄型 锈钢双极板的批 制造工艺和设备已进入开发 阶段 采用这些国产材 和部件组装的 车用发动机正在进 实际应用考核 初步预计通过这些国产关键材 和部件的应用 可以将 的 材 成本降低 以上 同时还可以大幅度提高电池性能 为推进 我国燃 电池产品的实际应用奠定基础 关键词燃 电池国产化催化剂质子交换膜炭纸双极板 舀 咀 以其完全的 零排放 和 前言质子交换膜燃 电 高效率的独特优势 已经 被国际上大多数汽车制造商认为是开发清洁能源汽车的首选技术 并把 作为最终目标 在过去的 以欧洲清洁城市交通和美国加州燃 电池伙伴合作 计划为代表的燃 电池汽车示范运 项目 汇集了包 国家高技术研究 发展计划资助项目 计划 收到初稿 收到修改稿万方数 据 月邢 敏等国产质子交换膜燃 电池关键材 及部件的 电池组性能 括本田 戴姆 福特 通用 大众 日产和现代等 众多汽车公司的燃 电池汽车完成了实际运 试验 积累了大 的实际 运 数据和经验 反映了当前燃 电池汽车的技术水平和发展方向 同时也要看到可靠性 耐久性和成本仍是制约车用燃 电池技术走向 商业化的三个关键因素 目前大家认可的耐久性和成本目标是在 达到 和 并正在为此进 懈的努 巧 在我国 车用燃 电池发动机技术在 九五 和 十五 期间实现了 从无到有的跨越 并取得了长足的进步 特别是近 来 针对炭纸 质子交换膜 电催化剂 和双极板 等关键 材 和部件开展大 的研究工作 在结构优化 电性能 热性能和机 械强度等方面都取得了明显的进步 但是这些材 距离燃 电池实际应用还存在一定的差距 由此产生的 价格因素和技术垄断问题严重地影响着燃 电池的制造成本和技术竞 争 为了克服技术壁垒 加快车用燃 电池的国产化和批 化进程 新源 动 股份有限公司联合国内多家科研机构和企业 针对炭纸 质子交 换膜 催化剂和双极板等电池关键材 和部件开展了大 研发的工作 进 了国产材 燃 电池组的应用开发和性能研究 试验方法 材 及部件性能试验本文研究的质子交换膜燃 电 池关键材 和部件包括电催化剂 质子交换膜 炭纸和双极板 根据它们在燃 电池中应用的环境和要求 主要针对如表 中所列的 性能参数进 了测试考核 并将测试结果用于指导国产电池组的制备 工艺开发和性能优化 表 关键材 和部件的性能参数及测试方法万方数据 电池组试 验在对关键材 及部件性能考核完成的基础上 利用某单一关键材 如炭纸 膜 催化剂和双极板 代替现有成熟关键材 开发电池部 件制备工艺 并与进口材 部件组装成电池组进 对比试验 进一步 判定国产关键材 及部件的可应用性 电池组试验采用新源动 开发的 型电池结构 电极 活性面积为 电池组运 条件为电池温度 空气压 增 湿 化学计 比 氢气压 增湿 采 用脉冲方式排气 利用率 按照图 中所示的动态加载工况进 电池组的寿命考核 每天运 个工况 每天运 前后测试电池组的极化曲线 钆丑舞褥雷 时间 图 燃 电池寿命测试工况 国产关键材 及部 件的电池组性能 基于国产炭纸的电池组性能炭纸是 核心部件一气体扩散电极的重要组成部分 是电极扩散层的主要 基体材 燃 电池对炭纸的性能要求主要体现在厚度和密度均匀性 电阻率 孔结构 透气性和机械强度等方面 目前 用于 的炭纸主要国外 如日本东丽公司 加拿大 公司和德国 公司 这些国外公司的炭纸产品 但价格昂贵 而且存在技术垄断问题 对我国的燃 电池技术安全构 成了威胁 因此 国内中南大学 宜兴天鸟高技术有限公司和大连兴科碳纤维 有限公司等单位先后开展了 用炭纸的研发工作 本文首先将国产炭纸和日本东丽公司的 炭纸进 了比较研究 图 是使用数码光学显微镜拍摄的炭纸纤维结构 可以看出 国产 炭纸的纤维分布与进口炭纸无明显的差异 但密度略为稀疏 这两种炭纸的性能测试结果列于表 可以看出 国产炭纸的表观 密度较小 透气性较大 但是国产炭纸的均匀性尚可 机械工程学报第 卷第 期并 且具有 低的电阻 这对电池的应用是非常有利的 图 炭纸的显微镜照片 表 国产炭纸的物性参数厚度 最 大值 最小值 舳 物性参数国产炭纸 表观密度 时的电阻率 透气性 锄 拉伸强度 长 宽 生 一针对国产炭纸的结构特点 开发了相应的电极制备工艺 并将国产炭纸电极与 一 炭纸电极一同组装到同一 个电池组 在相同工况条件下进 测试 结果如图 所示 可以看出 这种炭纸在规格 性能方面都与进口炭纸相当 基本上 能够满足燃 电池电堆应用的要求 之 坦粤蔑岳电流密度 图 国产炭纸与进口炭 纸的多节燃 电池组性能对比 基于国产复合质子交换膜的电池 组性能目前 中广泛采用的是美国 公司的全 氟磺酸质子交换膜 它 但价格昂贵 而且其机械稳定性和低含水率 下的电导性能也有待提高 万方数据因此开发增强型质子交换膜和 自增湿膜已经成为该技术领域的发展方向 国际上 公司具有制备 复合膜 产品名称为 蹦 的 工艺和产品 但是该公司只以膜电极的形式销售此产品 而且价格 昂贵 作者采用全氟磺酸树脂州 溶液和聚四氟乙烯多孔膜 开发了增强型复合质子交换膜的制备工艺 解决了复合膜结构致密 性和批 制备均匀性等问题 形成了稳定的增强型复合膜的批 生产 设备 同时 还采用山东东岳神舟新材 有限公司生产的全氟磺酸树脂开发 了国产复合质子交换膜 图 为复合膜的照片 对这些膜的主要性能测试结果列于表 可 以看出复合膜在电导率和透气性方面都与商品全氟磺酸膜的相当 同时 复合膜在机械强度和尺寸稳定性方面具有明显的优势 图 国产复合质子交换膜的照片表 国产增强型复合质子交换膜的 性能参数为了考核增强型复合质子交换膜的燃 电池应用性能 采用 进口树脂增强型复合质子交换膜组装了 节 电堆 此 电池组的输出功率达 图 电池均匀性偏差为 均匀性较好 利用国产树脂复合膜组装了 的电池组 其性能测试结果如图 所示 在相同的运 条件下 国产树脂复合膜电池组的电输出性能达到了进 口质子交换膜的水平 目前正在开展国产树脂复 月邢 敏等国产质子交换膜燃 电池关键材 及部件的电池组性能 加 踮 寒 丑之 坦粤 聋雷加 电流密度以 图 节进口树脂复 合膜 电池组的电输出性能之 出脚最 电流密度 一 图 国产树脂复合膜电池组的极化性能合质子交换膜 的整堆和模块应用考核工作 基于国产复合催化剂的电池组性能目前在车用燃 电池发动机 中大 应用的电催化剂产品包括日本 英国 美国 以及国内如新源动 等单位的 电催化剂 但是针对车用燃 电池发动机的 寿命目标 这些 电催化剂在耐久性 稳定性等方面无法满足要求 因此开 发高性能 长寿命的电催化剂已经成为一个非常迫切的需要 本文采用中国科学院大连化学物 研究所开发的 复合催化剂进 了电池组极化性能和稳定性研究 首先 采用此催化剂开发了相应的电极制备工艺 保证在催化剂担 相同的情况下 国产催化剂的电池性能达到进口 催化剂电 池的水平 图 为采用国产 复合催化剂组装的组 时总电压为 总功率为 平均电压为 时总电压为 总功率为 平均电压 为 为了考核国产复合催化剂的稳定性本文采用 的加速寿命试验中 动态平均性能为例进口催化剂电池组的万方数据喜言君嚣蓉雷电流 密度以 锄一 图 国产 的复合催化剂的 节电池组性能言器时间巾 国产催化剂 膜 电池组 为 酪 鲐砉坦掣 卯 的 柏时间巾 进口催 化剂 膜电池组图 国产复合催化剂与进口催化剂电 池组的寿命考核结果比较电压衰减速率为 国产复合催化剂电池组的电压衰减速率为 减缓 基于薄型 锈钢双极板的燃 电池电堆性能双极板是构成 电堆体积和重 的主要部分 它的重 和体积直接决定了电堆 的重 比功率和体积比功率 目前 国内外 产品多采用的是石墨双极板 石墨 金属 复合双极板 它们存在着机械强度差 加工成本高和结构复杂等问 题 对于提高电堆的比功率和运 性能十分 利 薄层金属双极板在大幅度提高电池组比功率 降低极板的加工成本 以及低温冷却剂适应性等方面 具竞争 已经成为国内外研究的热 点 节电池组的电性能 在化学计 比为 时 电池动态加载工况进 电池组寿命考核试 验 同时将此结果与同等条件的进口催化剂电池组进 比较 结果见 图 可以看出在 两种电池组的都出现了性能衰减 以相对湿度 下 机械工程学报第 卷第 期多 来 本研究组与大连 交通大学合作致 于薄型 锈钢双极板的应用开发 图 为 节薄 型 锈钢双极板电池组的照片 电池组的测试结果如图 所示 在电池运 试验中可以看出 此双极板的密封结构可靠 流场性能较 好 此电堆的质 比功率为 体积比功率为 这对大幅度提升电堆的比功率十分有利 图 国产薄型 锈钢双极板电池组照片之 幽锄震番电流密度 图 薄型 锈钢双极板电池组的平均单电池性能 结 论 国产 用炭纸 复合质子交换膜 复合催化剂以 及薄型 锈钢双极板无论是在基本性能参数还是在电池组性能方面都 达到了国外同类产品的水平 能够满足车用燃 电池发动机的要求 国产 关键材 已经进入批 制造工艺开发和应用阶 段 质子交换膜产品已实现批 生产 炭纸和复合催化剂己具备批 制造能 薄型 锈钢双极板的批 制造工艺和设备已进入开发阶段 上述国产关键材 和部件实际应用 可以将 电堆的 材 成本降低 以上 同时还可以大幅度提高电堆的性能 为推 进我国燃 电池产品的实际应用奠定基础 参考文献 万方数据 陈家昌 王菊 伦景光 国际燃 电池汽车 技术研发动态和发展趋势 汽车工业 凡 一 常新 黄启忠 王秀飞 等 浸渍模压与 复合工艺制备质子 交换膜燃 电池用炭纸叨 粉末冶金材 科学与工程 周志敏 邵志刚 衣宝廉 同 粒径的 的氧还原活性和稳定性 电池 也 既 作者简介邢 敏 女 出生 副研究员 主要研究方向为质子交换膜燃 电池膜及膜电极材 侯中军 男 出生 博士 高级工程师 主要研究方向为 质子交换膜燃 电池技术 国产质子交换膜燃料电池关键材料及部件的电池组性能作者邢丹敏 侯中军 燕希强 宋书范 付云峰 赵恩介 明平文 XING Danmin HOU Zhongjun YAN Xiqiang SONG Shufan FU Yunfeng ZHAO Enjie MINGPingwen新源动力股份有限公司 燃料电池及氢源技术国 家工程研究中心 大连 116085机械工程学报JOURNAL OFMECHANICAL ENGINEERINGxx 46 6 1次刊名英文刊名年 卷 期 被引用次数参考文献 11条 1 JERRA M LCxxlight dutyvehicle surveyxx2 陈家昌 王菊 伦景光国际燃料电池汽车技术研发动态和 发展趋势 期刊论文 汽车工业xx 05 3 DE BRUIJNF A DAM VA T JANSSEN GJ MDurability anddegradation issuesof PEM fuel cellponentsxx 01 4 MEHTA V COOPER JS Reviewand analysisof PEMfuel celldesign andmanufacturing 外文期刊 xx5 DOE HydrogenProgramxxannual reportxx6 常新 黄启忠 王秀飞浸渍模压与CVD复合工艺制备质子交 换膜燃料电池用炭纸 期刊论文 粉末冶金材料科学与工程xx 03 7 XING Danmin YI BaolianChapter10 Polymer andhybrid materials Their electrochemistryandapplications Solid stateelectrochemistry Fundamentals methodology andapplicationsxx8 周志敏 邵志刚 衣宝廉不同Pt粒径的Pt C的氧 还原活性和稳定性 期刊论文 电池xx 04 9 TAWFIKA H HUNG Y MAHAJAN DMetal bipolarplates forPEMfuelcell A review 外文期刊 xx10 DEVANATHAN RRecent developmentsin protone