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双极板在燃料电池堆中的体积和重量占比最大,成本占整个电池堆成本的27%。主要功能有:(1)连接单体模块;(2)分隔反应气体;(3)收集电流;(4)散热和排水等。其基体材料需具有强度高、致密性好、导电和导热性能好等特点,材料的选择将直接影响燃料电池的电性能和使用寿命。
石墨双极板目前最成熟,金属与复合材料双极板有较大发展空间。根据基体材料的不同,双极板可以分为石墨双极板、金属双极板和复合材料双极板,其中石墨双极板最早被开发使用,目前技术已经成熟,并已实现商业化大规模应用了。同时,表面改性的金属板以及成本降低的复合双极板是未来发展的趋势。
国内有石墨双极板的供应商,如杭州鑫能石墨、江阴沪江科技、上海喜丽碳素等;没有成熟的金属双极板量产产品,国内有研究机构和企业在研发当中,例如新源动力、大连化物所等。
质子交换膜:国内基本实现产业化
质子交换膜的作用是在反应时,只让阳极失去电子的氢离子(质子)透过到达阴极,但阻止电子、氢分子、水分子等通过,因而需要其具有以下几个特性:
(1)电导率高(高选择性地离子导电而非电子导电);
(2)化学稳定性好(耐酸碱和抗氧化还原能力);
(3)热稳定性好;
(4)良好的机械性能(如强度和柔韧性);
(5)反应气体的透气率低、水的电渗系数小;
(6)可加工性好、价格适当。
全氟磺酸型膜是目前燃料电池主要采用的膜材料,全球全氟磺酸型膜的供应商集中于日本和欧美国家,其中应用最广泛的是美国杜邦公司的Nafion系列膜。
全氟磺酸膜有不耐高温、成本高等缺陷,复合膜、高温膜、碱性膜等是未来革新方向,全氟磺酸膜有机械强度高、化学稳定性好、湿度大条件下导电率高等优点,但是同时也存在缺点:温度升高时会引起质子传导性变差、高温时易发生化学降解、单体合成困难、成本高等。因此各机构也在研究其他类型的膜,例如复合膜是通过复合的方法来改性全氟型磺酸膜从而提升其耐高温性和阻醇性;碱性膜对应的燃料电池系统的工作环境为碱性,在这种状态下催化剂选择的范围可以更宽泛,不仅限于铂,还可以使用镍和银等;美国3M公司开发的一种新型PAIF(PerFluoro Ie Acid)高温质子交换膜,其某些特性参数已经达到甚至超过2020年目标,且在年产50万套的假设下,价格已经达到了18美元/m2,低于2020年的20美元/m2的目标。
国内的武汉理工新能源公司、山东东岳集团、上海神力科技、大连新源动力和三爱富都有均质膜的生产能力,武汉理工的产品还出口国外;在复合膜方面,武汉理工已向国内外数家研究单位提供测试样品;大连化物所、上海交大也在质子交换膜的研究领域有所突破。
催化剂:超低铂或无铂是未来方向
催化剂作用于氢气,使电子离开氢原子。目前Pt/C载体型催化剂是PEMFC最常用的催化剂,由纳米级的Pt颗粒(3~5nm)和支撑这些Pt颗粒的大比表面积活性炭构成。
质子交换膜燃料电池商业化进程中的主要阻碍之一是价格高昂的贵金属催化剂,铂载量已大幅下降,超低铂或无铂(PGM-free)是未来研究重点。燃料电池零部件的成本主要来源于原材料与加工费用,美国Strategic Analysis公司发布的报告显示,在目前技术水平下,加工成本主导的部件(如质子交换膜、气体扩散层)的成本可通过规模化生产来降低,但材料成本占主导的催化剂难以通过量产来降低成本。因此,减少铂的使用量才是降低催化剂成本的有效途径。20世纪60年代美国通用采用铂黑作为催化剂,铂载量超过4 mg/cm2,而现在3M公司已经开发出可量产的有序化膜电极,铂载量仅为0.118 mg/cm2,有了大幅下降。但由于铂资源具有稀缺、昂贵的属性,大量的研究工作仍集中于降低铂载量、增强催化剂的耐久性、或是开发新的催化剂来替代铂的使用。
燃料电池催化剂的生产商为美国的3M、Gore,英国的Johnson Matthery,德国的BASF,日本的Tanaka,比利时的Umicore等,国内大连化物所具备小规模生产的能力。
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