性能、成本和耐久性是燃料電池汽車大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要障礙。雙極板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)于體積功率密度提升可貢獻(xiàn)約20%左右。本文分享開發(fā)未來高比功率燃料電池極板的技術(shù)發(fā)展方向。

目前，豐田第二代Mirai燃料電池堆電芯(無端板)和裸堆(含端板)的體積功率密度已分別達(dá)到4.4 kW/L和5.4 kW/L。根據(jù)日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)計(jì)劃，車用燃料電池堆到2030年和2040年體積功率密度目標(biāo)分別為6 kW/L和9 kW/L。歐盟燃料電池和氫聯(lián)合體(EU-FCH2JU)近期已展示了其體積功率密度高達(dá)5.38 kW/L的燃料電池堆(含端板)，峰值工況點(diǎn)為0.6 V@2.67 A/cm2，并指出到2040年電堆體積功率密度目標(biāo)為9.3 kW/L。


日本NEDO發(fā)布燃料電池技術(shù)發(fā)展目標(biāo)

自20世紀(jì)末質(zhì)子交換膜燃料電池用于車用以來，極板的開發(fā)和創(chuàng)新一直不斷前進(jìn)。但將電堆體積功率密度進(jìn)一步提升至6 kW/L和9 kW/L將不可避免的帶來諸多技術(shù)挑戰(zhàn)， 其中雙極板的創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)于體積功率密度提升的貢獻(xiàn)占比約20%。本文將結(jié)合美國能源部(DOE)報(bào)告、日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所(NEDO以及豐田、本田FCV產(chǎn)品，全面介紹燃料電池的技術(shù)局限并討論相關(guān)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)。



豐田第二代MIRAI電池陰極流場(chǎng)收縮部
傳質(zhì)能力是極板設(shè)計(jì)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，主要取決于流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。目前，極板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩種既定的設(shè)計(jì)路線，如下圖所示。第一種是改進(jìn)和縮小流道-脊結(jié)構(gòu)，第二種是開發(fā)具有微擋板(變截面)或多孔結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)。兩種路線比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法顯示出一些優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也伴隨著新的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)。例如，豐田第一代MIRAI的三維精細(xì)網(wǎng)狀(3D fine-mesh)流場(chǎng)，帶有魚鱗形態(tài)擋板，已充分證明具有高效的傳質(zhì)能力。但其成形過程會(huì)導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)裂紋，將金屬基材暴露在酸性電化學(xué)環(huán)境中。此外，三維精細(xì)網(wǎng)狀流場(chǎng)的漸進(jìn)式?jīng)_壓還會(huì)增加極板成本。
文章鏈接→豐田第一代Mirai燃料電池3D流場(chǎng)制造


豐田第一代Mirai陰極3D流場(chǎng)
美國能源部要求到2020年極板的氫氣和氧氣滲透率應(yīng)低于2×10-6m2，而目前槽深低于0.5 mm的流場(chǎng)很容易達(dá)到10-8 m2的滲透率。豐田第二代MIRAI陰極側(cè)使用了具有收縮截面形狀的二維流場(chǎng)來取代上一代的3D流場(chǎng)，同時(shí)陽極側(cè)采用波紋形流場(chǎng)。極板設(shè)計(jì)的最新演變表明，傳質(zhì)能力并非當(dāng)前一代電堆設(shè)計(jì)的主要難題。但目前的技術(shù)狀態(tài)(第二代MIRAI體積功率4.4 kW/L)與日本NEDO發(fā)布的2040年9 kW/L體積功率密度和4.4 A/cm2電流密度目標(biāo)仍然存在差距。氣體流速的增加會(huì)加劇流場(chǎng)中的壓力損失和分布不均，導(dǎo)致寄生功率損失增加和局部欠氣，增大傳質(zhì)損失。

另一個(gè)問題是大電密下由高電化學(xué)反應(yīng)速率引發(fā)的排水問題。盡管通過改進(jìn)膜電極可使其在較低濕度水平下運(yùn)行，但仍然難以避免水冷凝和積聚，尤其是在2 A/cm2及以上的電流密度工況。在超過100 °C的工作溫度下，排水問題可通過蒸發(fā)機(jī)制得到一定程度的緩解。因此，傳質(zhì)能力的提升仍然是下一代電堆極板設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)。
熱傳導(dǎo)和導(dǎo)電能力是極板設(shè)計(jì)的另外兩個(gè)挑戰(zhàn)。由于從電堆邊緣和反應(yīng)氣散發(fā)或帶走的熱量幾乎可以忽略不計(jì)，因此電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的大部分廢熱必須通過膜電極和極板傳遞，之后通過熱對(duì)流方式由外部散熱器帶走。對(duì)于體積功率密度為4 kW/L的電堆，極板的導(dǎo)熱系數(shù)比GDL或CL高約30倍，但極板和GDL間的界面熱阻可能比極板本身要高出10倍左右。極板和GDL間的界面電阻(約10-6 Ω·m2)比極板本身(約10-10 Ω·m2)高近四個(gè)數(shù)量級(jí)。

盡管目前的金屬極板可輕松達(dá)到50 W·m-1·K-1和1.4×106 S·m-1的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過美國能源部2020年的目標(biāo)，但界面電阻仍具改善空間。日本NEDO提出輸出電壓和工作溫度從目前的狀態(tài)即0.65 V和90-100°C應(yīng)進(jìn)一步提高至2040年的0.85 V和120°C。因此，主要的發(fā)力點(diǎn)是降低極板和GDL之間的熱阻和界面接觸電阻，而這對(duì)電堆的組裝力、極板和膜電極間接觸面積、極板表面粗糙度和炭紙電導(dǎo)率提出了高要求。此外，當(dāng)前的冷卻劑流道必須與氫氣、空氣單極板集成以實(shí)現(xiàn)緊湊的電池結(jié)構(gòu)，表明增加冷卻散熱能力和減少厚度之間存在沖突。
極板的耐久性主要受電化學(xué)腐蝕和機(jī)械衰減影響。根據(jù)日本NEDO目標(biāo)，2030年工作電流密度目標(biāo)為3.8 A/cm2。電流密度的進(jìn)一步增加可能會(huì)導(dǎo)致電池組件的電化學(xué)腐蝕增加，這也是導(dǎo)致電池衰減的主要原因，尤其對(duì)于金屬極板。石墨極板也會(huì)發(fā)生腐蝕，但在正常操作條件下幾乎可以忽略不計(jì)。為了減輕腐蝕，極板通常在其表面形成低電阻的氧化膜材料或通過沉積耐腐蝕涂層來處理，并且耐腐蝕功效主要取決于無缺陷涂層的均勻性、鈍化膜或氮化物層的穩(wěn)定性。

金屬板腐蝕降解
根據(jù)美國能源部的目標(biāo)，到2020年，陰陽極板的腐蝕電流密度應(yīng)限制在<1 μA cm2。目前使用的多層碳化鉻和無定形碳涂層在不銹鋼316L(或石墨)上已經(jīng)滿足這些標(biāo)準(zhǔn)。然而，仍然需要先進(jìn)的涂層技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更好的耐腐蝕性和更低的接觸電阻，最重要的是降低涂層成本。膜電極的膨脹和收縮以及氣體和冷卻劑的壓力變化會(huì)引起金屬極板的載荷和壓力波動(dòng)，導(dǎo)致塑性變形和疲勞失效。
2020年美國能源部關(guān)于極板彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)分別為25 MPa和40.5 J·m。典型的極板基材如不銹鋼(Honda)和柔性石墨(Ballard)已經(jīng)滿足上述標(biāo)準(zhǔn)。然而，在制造過程中或長期運(yùn)行后可能會(huì)出現(xiàn)局部厚度減少、裂紋和塑性變形。此外，對(duì)于精細(xì)化的脊結(jié)構(gòu)、超薄板、網(wǎng)狀、擋板或收縮截面，較高的壓緊力會(huì)導(dǎo)致極板變形、極板和GDL間接觸不良。

在實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)能力目標(biāo)的同時(shí)，極板的制造能力應(yīng)與燃料電池大規(guī)模商業(yè)化的工業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)應(yīng)。極板的成本和體積分別占整個(gè)燃料電池堆30%和70%以上，具體取決于基材、制造能力和涂層技術(shù)。美國能源部2020年極板總成本(包括材料、成型和涂層)的目標(biāo)為3美元/kW。然而，僅就基材而言，例如不銹鋼316L，成本約為2.7 ＄/kW，難以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。此外，超薄板已成為極板設(shè)計(jì)廣泛采用的材料形式，但需要金屬或石墨板的高精度、快速制造工藝，例如漸進(jìn)式?jīng)_壓和模壓成型。極板的高精度制造和涂層的均勻性制備預(yù)計(jì)將成為大批量生產(chǎn)的主要技術(shù)障礙。因此，日本NEDO和美國DOE都強(qiáng)調(diào)了極板的成本降低對(duì)燃料電池技術(shù)和 FCV行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要性。

最近，一種利用金屬/石墨多孔泡沫的新型燃料電池極板結(jié)構(gòu)也引起關(guān)注。通過控制機(jī)械性能在一定范圍，使體積小型化和輕量化的多孔極板實(shí)現(xiàn)均勻的質(zhì)量和熱量分布。這些多孔材料的制造成本遠(yuǎn)低于精密成型或擋板的成本，并且包括孔隙率、孔密度和孔形狀在內(nèi)的幾何參數(shù)都可控。這將使電池結(jié)構(gòu)完全去除GDL并且實(shí)現(xiàn)外部環(huán)境和CL層直接進(jìn)行質(zhì)量傳輸成為可能，即集成化的多孔極板-MEA設(shè)計(jì)。
除了提供更緊湊的電池結(jié)構(gòu)外，這種集成結(jié)構(gòu)還可以有利消除極板和GDL之間的質(zhì)量、熱量和電子的界面?zhèn)鬏?，從而避免界面?zhèn)鬏斪枇?。雖然集成化的極板-MEA設(shè)計(jì)因厚度減薄可以獲得更好性能，但具有高導(dǎo)電性的多孔流場(chǎng)材料在酸性環(huán)境中容易受到化學(xué)腐蝕。因此，有效的3D多孔結(jié)構(gòu)涂層材料和涂層方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)長期運(yùn)行穩(wěn)定性是必要的。此外，多孔材料表現(xiàn)出比傳統(tǒng)極板結(jié)構(gòu)剛度更低。極板剛度的增強(qiáng)過程(例如壓縮)是避免流場(chǎng)過度變形所必需的?？傊?，集成的極板-MEA或無GDL設(shè)計(jì)可以同時(shí)改善質(zhì)量傳輸、緩解水淹和減少電堆體積，可提供一種未來的方法實(shí)現(xiàn)超高功率密度9 kW/L。
文章來源：Jiao K. Designing the next generation of proton exchange membrane fuel cells. Nature