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王海江:質子交換膜燃料電池氣體擴散層

時間:2020-01-12 14:51來源:中國電池聯盟 作者:綜合報道
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    2020年1月10日-1月12日,中國電動汽車百人會論壇(2020)在北京釣魚臺國賓館正式拉開帷幕,南方科技大學教授、加拿大工程院院士王海江出席了論壇,并作了主題演講,以下為發言實錄:
 
    尊敬的各位領導,各位專家,各位嘉賓,我是來自南方科技大學的教授王海江。剛才潘牧教授跟大家講了整個可再生能源發展的一些情況,在整個可再生能源里面,它有很多細小的技術問題是需要我們來解決的。今天我的講座要聚焦到非常小的一個方面,就是質子交換膜燃料電池里面的一個核心材料氣體擴散層方面的情況。

    要實現我們國家燃料電池技術規;纳a,我們就需要解決燃料電池里面核心材料這樣一個問題。氣體擴散層就是燃料電池電堆里面的一個核心材料,目前我們國家還是主要依靠進口來解決氣體擴散層這樣一個材料問題。氣體擴散層總體來說,也是我們燃料電池技術發展里面一個卡脖子技術。我們必須要解決這樣一個技術,南方科技大學氫能與燃料電池研究團隊不辱使命,在過去兩年多的發展里面,優化了燃料電池氣體擴散層的結構,開發了氣體擴散層的生產工藝,也實現了氣體擴散層小批量生產。感謝電動汽車百人會給我這個機會,今天有機會向各位領導、各位專家就南方科技大學氣體擴散層方面的研究情況給大家做一個匯報。

    首先從燃料電池單電池的結構開始,燃料電池電堆是由很多單電池串聯組成的。對燃料電池的單電池有一個七層的結構,中間是質子交換膜,質子交換膜的兩側是催化層,催化層的兩側是有兩片氣體擴散層,再加上雙極板就構成了燃料電池單電池這樣一個結構?梢钥吹揭粋燃料電池單電池需要兩片氣體擴散層,雖然目前市場上氣體擴散層的價格比質子交換膜要便宜一些,但是它的用量比較大,需要兩片,所以它對燃料電池的價格有非常大的影響。這個圖里面可以看到,美國能源部按照現有的燃料電池技術所做的一些計算?梢钥吹阶仙氖菤怏w擴散層在燃料電池電堆里面價格的分布,在小批量的時候,基本上價格占到21%,比質子交換膜還要貴一些。隨著量的增加,氣體擴散層的價格占比會減少一些,但即使到批量化的生產,它也占有一定的比例。當規模達到50萬輛的時候,它還有6%的價格比例,所以氣體擴散層對燃料電池的價格有非常大的影響。氣體擴散層影響到燃料電池里面的傳質、傳熱以及歐姆電阻,因為它對水管理有非常大的作用,它間接的影響到燃料電池里面的動力學。因為它影響燃料電池的性能,所以間接影響到燃料電池的成本。尤其是我們現在燃料電池技術發展是朝著高電流操作這樣一個方向來發展,高電流操作的時候,傳質就非常重要。這個圖里面可以看到,好的氣體擴散層和壞的氣體擴散層對燃料電池的性能有非常大的影響。如果你不能提高操作電流,因為氣體擴散層的問題很難進一步降低燃料電池的成本。

    如何有一個好的氣體擴散層的材料?首先要分析一下它在燃料電池里面所起的作用。首先第一個作用是傳質的作用,它要把我們的氣體均勻的擴散到催化劑上進行反應,同時要把這個產物這個水能夠帶出來,這是它的第一個作用。同時,燃料電池里面反應產生的熱量也要通過氣體擴散層帶出去。另外所產生的電流也要通過氣體擴散層導到外面的電路,傳質、傳熱、導電是氣體擴散層在燃料電池里面主要的功能。同時它需要有一定的機械強度來支撐我們膜電極,膜電極比如是CCM機械強度不夠,需要有一個支撐,這個是氣體擴散層四個功能。因為有這樣一個功能的要求,所以我們對氣體擴散層的材料選擇也是有一定的要求。首先它必須是多孔的介質,需要良好的導熱性,有良好的導電性,同時有一定的機械強度。另外因為它在燃料電池里面工作,所以它需要有良好的化學穩定性。正因為有這樣一個要求,所以氣體擴散層的選擇并不是很多。早期的時候有些人用金屬網或者金屬泡沫來做氣體擴散層,因為它的化學穩定性不高,所以后來基本上氣體擴散層材料的選擇只有兩種,要么就是碳布,要么是碳紙,碳布的機械強度不是特別高,所以后來基本上所有的公司都是用碳紙作為氣體擴散層。

    現在材料基本上定下來了,材料的結構對我們氣體擴散層的性能有非常大的影響。如何去解決氣體擴散層結構的問題?我們團隊首先在模擬計算這方面,多孔介質兩相流動等等,我們用模擬方法來優化它的結構。我們用一些現有的氣體擴散層,用CT掃描的方法,得到它的結構,再把它的這個結構放在計算機里面進行兩相模擬,來優化這個氣體擴散層的結構。有了這個模擬以后,我們還需要用試驗來測量氣體擴散層它的一些性能。氣體擴散層最主要是氣體要從它里面走,氣體在多孔介質里面的擴散系數是決定在燃料電池里面性能一個關鍵的指標。我們這里面用了一個做擴散系數的測量,有兩個腔體,一個腔體里面放上氮氣,一個腔體里面放上氧氣,中間有一個球閥,等球閥打開的時候,氧氣就會通過我的樣品走到另外一個腔體里面,模擬另外一個腔體里面氧氣的濃度,就可以計算出來氧氣在多孔介質里面的擴散系數。有了擴散系數的測量,我測量不同結構的樣品,就能優化氣體擴散層結構的性能。

    另外一個研究就是我們氣體擴散層里面水管理的研究,這里我們用了一個非常簡單的方法,我們用一個類似于單電池的測試,但是這個單電池里面我們沒有放一個正常的MEA,而是放了氣體擴散層的樣品和一個質子交換膜,陽極這一側是水在里面流動,這個膜永遠是完全潤濕的。陰極這一側按照不同的空氣流量,在不同的空氣流量下面來測量水從這里面走出來的速度,這樣就得到水穿過氣體擴散層的速度與空氣流量之間的關系。得到右下角這樣一個圖,從這個圖里可以看到燃料電池里面水平衡的情況。在紅色的虛線上面,水流過氣體擴散層的速度特別大,就造成了燃料電池里面膜容易干的這種現象。在虛線的下側,水走的速度比較小,這樣的情況造成水淹的情況,有了這樣一個測量以后,我們就可以計算出來什么樣的氣體擴散層在燃料電池里面的水管理是最為有效的。

    我們有了這樣一些研究之后,就可以確定氣體擴散層的結構,然后進一步來開發氣體擴散層它的工藝。氣體擴散層生產,把南方科技大學的研究成果放到一個產業化公司里面來實施。在過去幾年里面,我們通過南方科技大學的研究平臺,創立了三個燃料電池產業化平臺,其中一個就是通用氫能。氣體擴散層的生產就是通過我們通用氫能公司來實現。在過去一年多的時間,通用氫能公司開發出來氣體擴散層的生產線,目前產能一般情況下是10萬平米,如果說三班倒的話,可以做到年產30萬平米氣體擴散層的生產能力。中間上面這個表是我們氣體擴散層的一些性能指標,這個指標和國外商業化的氣體擴散層基本是非常類似的。下面這個圖是氣體擴散層在燃料電池里面它的性能表現,可以看到我們的氣體擴散層和國外的氣體擴散層的性能基本上是一樣的。這個曲線里面有一個特點,兩個安培的時候,仍然沒有看到有傳質控制這樣一種現象,所以它的好處,放在燃料電池電堆里面,如果操作點為1A/cm2的情況下,可以過載100%都沒有問題。這個就是我們氣體擴散層的特點,現在生產能力基本上就是每年10萬-30萬平米這樣一個產能。如果有需要氣體擴散層的公司,可以和我們聯系,這個就是我今天向各位領導匯報的全部內容。

    謝謝大家!

(責任編輯:龍闕)
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