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關于氫燃料電池石墨板還是金屬板的思考

在氫燃料電池業界也一直存在著一個爭議或者討論,那就是氫燃料電池的未來到底是金屬板還是石墨板,基于這個話題我們根據性能需求和成本做一些簡單分析和預判。(簡單歸類,石墨復合板歸類于石墨板)
1.從電化學需求功能層面看
1)形成反應氣體以及冷卻液流道。
從在這個層面看兩者無本質區別,以現狀流道截面(長*寬)需求來講基本都可以實現功能,采用機加工的石墨板在異形流道加工上會略顯欠缺;對于模壓石墨板來說幾乎和沖壓成型的金屬板在流道型式上無差別。
2)導電性/導熱性
從材料特性的大方向看,石墨的導電性幾乎是不銹鋼的4倍,導熱性也遠優于不銹鋼。當然以需求來論金屬板和石墨板都能滿足燃料電池需求。(現在也有很多復合石墨,我們以電阻率和導熱系數評價和對比其性能就好)
3)排水性。防止流道堵塞以及水淹等故障
現狀都會對雙極板表面做一些疏水處理,比如憎水溶液的浸泡等等,或者其他表面處理。這個層面也無大的區別。
4)抗腐蝕性。主要是用來增加壽命
盡管不銹鋼金屬板為了提升抗腐蝕有采用各種途徑的工藝鍍層處理,但至少現狀是和石墨板無法比擬的。這一點上石墨板完全勝出。
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2.從機械性能需求層面看.
1)機械強度。由于雙極板在整個電堆中起到有支撐的作用。相對來說金屬板在該點上要優于石墨板。尤其在電堆組裝后的鎖緊力的作用下石墨板會有擠壓缺陷存在的可能,這點性能很重要。
2)功率密度問題。
單論密度,不銹鋼密度大約是石墨的接近4倍,所以從減重的角度還得看最終雙極板用材的體積,同樣面積下看厚度狀況。由于當下金屬板最薄有做到1.1~1.3mm的;石墨板最薄也在1.3~1.6mm左右。所以從這個角度看金屬板體積功率密度更占優一些。(豐田二代金屬板除端板后5.4KW/L;巴拉德最新款復合石墨板HPS系列4.8KW/L)
3.壽命問題
目前金屬板多數供應商給出的數據在5000~10000小時之間;石墨板給出的是12000~30000小時之間。目前在這一點上石墨板有明顯優勢。
壽命是一個需要長期實際工程運營驗證的數據,盡管有一些替代耐久性驗證方案和標準,但也僅能是個參考。
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4.成本問題
影響成本的因素來自兩個層面。一是材料本身;二是加工工藝。從原材料的角度不銹鋼單價接近石墨的2倍。但是從加工工藝復雜程度(原料準備—成型—表面處理—焊接(或粘結)—密封,金屬板一般在焊接后再表面處理,石墨板多數是在表面處理后粘結)全流程來看,金屬板子的加工工藝還是要容易一些。
石墨板采用臥式銑床結合專用定制刀具的方式目前生產效率也明顯提升了;但金屬板目前是可以上全自動生產線了。這個環節生產效率肯定是金屬板高(焊接一片50秒左右)。以整個流程來看傳統石墨板瓶頸是在機加工環節,金屬板和石墨板在密封膠線安裝目前工藝效率也是比較低的。但具體量化成本的數據目前還未能實際調研到,但從整堆來看目前成本差異不大。
5.未來的趨勢問題(從一些前沿研究以及最新專利檢索來看)
1)目前石墨板已經再往復合板的方向上走了,在保持石墨板基本性能的同時可以獲得接近金屬板的優點性能,如采用模壓的成型方式來提升效率、減小厚度來降低成本并獲得更大的體積功率密度。
2)采用金屬框架做支撐,鑲嵌石墨板做流場的結構。(有多種型式的框架)
3)金屬板進行石墨鍍層。
4)金屬板的其他鍍層提升抗腐蝕性,來獲得更高的壽命。
結語:
1.以當下國內推廣商用車的使用背景來看,對壽命需求是首要指標。基本可以判定這個階段還是要以石墨板(包含材料復合、結構復合這個大類)為主的。
2.以技術趨勢和加工成本來看最終要達到一個殊途同歸的個結果,也可能是一個兼容不銹鋼和石墨優勢的中間態。
3.近期天津大學提出的一個觀點和路線值得關注,為了獲得更高的功率密度和壽命未來的極板、MEA會是一個完整的復合單體,而不是一個組合件。原話描述為:“一體化”和“有序化”是未來設計的兩個重要方向:一方面,雙極板進一步減薄會極大增加流動阻力,給反應氣體供給和冷卻液循環帶來困難,因此流場和電極的一體化設計是一種趨勢;另一方面,電極設計的有序化能夠更好地組織傳遞過程,并降低生產過程中的不確定性,也是未來的發展方向。下圖是未來的技術路線圖:
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關于氫燃料電池石墨板還是金屬板的思考

 

 

 

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