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下一代燃料电池技术的开发课题—GDL和密封!

日期:2020-12-22    来源:燃料电池干货

国际新能源网

2020
12/22
08:53
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关键词: 燃料电池 丰田汽车 车用燃料电池堆 交换膜燃料电池

日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)近期发布了2040年车用燃料电池堆体积功率密度9 kW/L的技术目标。丰田官方数据显示,第二代Mirai电堆体积功率密度已达5.4 kW/L(不包括端板)。基于高输出(大电密、高电压)、高耐久性和低成本的发展目标,丰田和本田近日提出了GDL、密封件、质子膜和极板等电池关键材料和部件的下一阶段开发课题。

NEDO近期发布了2040年车用车子交换膜燃料电池的技术目标,包括:电堆体积功率密度9 kW/L、峰值功率工作电压0.85 V、最大工作温度120°、燃料电池堆成本1000日元/kW、车用耐久性大于15年、车载续航大于1000 km。

NEDO燃料电池技术发展目标(FCCJ推定)

丰田汽车公司的燃料电池技术发展来看,上述技术指标有望2040年全面完成或超越。丰田第一代Mirai燃料电池堆峰值功率点接近0.61V@2000 mA/cm2,体积功率密度3.5 kW/L(不包括端板),车载续航650 km(JC08工况)。丰田第二代Mirai燃料电池峰值功率点工作电压超过0.65V@2200 mA/cm2(行业专家推算),电堆体积功率密度达5.4 kW/L(不包括端板),车载续航850 km(WLTC工况)。此外,日本燃料电池实用化推进协会(FCCJ)推定2030年燃料电池堆峰值功率点达到0.66V@3800 mA/cm2,2040年峰值功率点0.85V@4400 mA/cm2。本文分享丰田和本田近期提出的面向下一代燃料电池技术中GDL和密封的开发课题。

01、GDL

针对车载高电密和高功率电堆的气体扩散层,丰田汽车公司提出近期的开发课题为提高透气性和卷对卷生产节拍。其中,提高透气性主要指大电密下高效排水和传质,同时兼顾强度、电阻、热阻和界面电阻需求。通常,气体扩散性和强度、界面电阻等物性参数成反比,如下图所示。日本燃料电池实用化推进协会(FCCJ)提出到2040年车用质子交换膜燃料电池气体扩散层的氢气传输阻抗和氧气传输阻目标分别为0.875、14 sec/m(极限电流密度法测评),法向电阻目标为1.5~2.5 mΩ·cm2,法向热阻目标为0.5~1.5 K·cm2/W。

气体透过性与其他物性参数的冲突关系

提高生产节拍对大规模批量生产并降低成本至关重要。针对提高卷对卷生产膜电极工艺中GDL的加工速度,FCCJ提出2030年、2035年卷对卷制备膜电极生产中GDL的贴合速度分别达到25和50 m/min。

电极卷对卷制备过程

02、密封件

针对车载燃料电池用高可靠性和高生产节拍密封件,丰田汽车公司提出近期的开发课题为降低生产电池间面压密封件橡胶固化时间的成型技术和材料、探索耐受FC苛刻环境电池内粘接剂的低成本材料、寻找FC环境下耐用性的低成本密封材料。如下图所示,对于一体化单电池,密封件分为密封冷却水用的电池间面压密封件、密封气体用的电池内粘接剂。

电池间面压密封件和电池内胶粘剂示意

电池间面压密封件是利用橡胶弹性和表面接触应力来保证密封性能,需注意压缩永久变形(压缩永久变形和硫化橡胶弹性和恢复有关),但目前注塑成型中橡胶固化时间较长,由此带来的成本较高。电池内粘接剂可不依赖接触表面压力进行密封,需保证粘接强度,但粘接面的质量控制较复杂,并且耐受FC环境考验的胶粘剂材料较为昂贵。目前,电池间面压密封件和电池内粘接剂面临的通用要求主要是耐水解(电池间密封需耐冷却水水解,电池内密封需耐生成水水解)、降低其对催化剂中毒和质子膜衰减影响。

电池间密封和电池内密封原理示意

各类密封件材料对应技术问题

在燃料电池环境中,密封件的溶出物会影响发电性能和耐久性。现有的密封件材料都存在对应的技术问题,见上表。如丰田第一代Mirai电池间面压密封件采用的EPDM(三元乙丙橡胶)存在更新材料、开发新型工艺并降低固化时间的课题;市面常见的硅橡胶存在酸性腐蚀和溶出物致使质子膜脆化等现象。因此,密封工艺和材料的改进、更新相当重要。

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