金屬雙極板將引領(lǐng)電池市場(chǎng)新的發(fā)展
雙極板又稱集流板,其功能是提供氣體流道,防止電池氣室中的氫氣與氧氣串通,并在串聯(lián)的陰陽兩極之間建立電流通路。雙極板是燃料電池重要部件之一,其重量約占PEMFC電堆的80%,成本約占24%。
在保持一定機(jī)械強(qiáng)度和良好阻氣作用的前提下,雙極板厚度應(yīng)盡可能地薄,以減少對(duì)電流和熱的傳導(dǎo)阻力。目前市場(chǎng)上氫燃料電池的雙極板材料有石墨、金屬和復(fù)合材料三類。
石墨材料是最早開發(fā)用于PEMFC雙極板的材料,其優(yōu)勢(shì)是耐腐蝕性強(qiáng),耐久性高,但不足的是制作周期長(zhǎng),抗壓性差,成本高,目前廣泛應(yīng)用于專用車與客車。
金屬雙極板強(qiáng)度高、韌性好,而且導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好,功率密度更大,可以方便的加工制成很薄的PEMFC雙極板(0.1~0.3mm),主要應(yīng)用于乘用車,如豐田Mirai采用的就是金屬雙極板,其燃料電池模塊功率密度達(dá)到3.1kW/L;英國(guó)IntelligentEnergy新一代EC200-192金屬雙極板燃料電池模塊的功率密度更是達(dá)到了5kW/L。
復(fù)合材料雙極板兼具石墨材料的耐腐蝕性和金屬材料的高強(qiáng)度特性,未來將向低成本化方向發(fā)展。
據(jù)新源動(dòng)力公司的工程師透露,新品采用金屬雙極板的原因在于其體積功率密度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于批量制造同時(shí)具有較好的電池水熱管理優(yōu)點(diǎn)。
與石墨雙極板相比,金屬雙極板具有與之相似的高導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力,但后者擁有更好的機(jī)械強(qiáng)度、阻氣能力和抗沖擊能力,所以能做到更薄更輕,可大幅度提高比功率密度。同時(shí),金屬雙極板制作工序較少,且量產(chǎn)工藝成熟,從而可大幅降低量產(chǎn)成本。
大幅降低的熱容使金屬板具備了更強(qiáng)的低溫啟動(dòng)能力,而且雙極板厚度可制備得非常薄——甚至可小于1mm,適合批量成產(chǎn),大大降低了制作成本。應(yīng)用于車用燃料電池時(shí),從燃料電池高能量密度和大規(guī)模生產(chǎn)的需求方面考慮,金屬雙極板相較于石墨及復(fù)合雙極板具有明顯優(yōu)勢(shì)。
雖然金屬板在成型細(xì)密化、殘余應(yīng)力控制、耐蝕性、設(shè)計(jì)自由度等方面存在缺點(diǎn),但隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,相關(guān)問題已經(jīng)得以解決。
在金屬成型方面,日本、歐洲等公司通過沖壓、液壓、高速熱成型等工藝,已經(jīng)解決了流道細(xì)密化和平整度問題。目前國(guó)內(nèi)多家企業(yè)也已取得突破,接近或達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平,而且成本大幅下降。
在金屬板防腐涂層方面,國(guó)內(nèi)企業(yè)也早已取得突破,使材料問題不再是金屬板電堆壽命的短板。因?yàn)榻饘僭谌剂想姵氐墓ぷ鳝h(huán)境下易被腐蝕,所以必須對(duì)金屬的表面進(jìn)行改性,目前金屬板表面改性涂層工藝已發(fā)展至數(shù)種,廣泛采用的表面技術(shù)有化學(xué)鍍,電鍍,熱噴涂,PVD和CVD等多種。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,國(guó)內(nèi)外均已趨于成熟,可以通過合理設(shè)計(jì)有效規(guī)避金屬板固有的結(jié)構(gòu)缺陷。豐田Mirai、本田Clarity、現(xiàn)代Nexo等量產(chǎn)燃料電池車型均采用金屬雙極板。












