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科普:碳双极板还是金属双极板?

来源:钜大LARGE    2019-11-29    点击量:94

双极板是质子交换膜燃料电池的关键零部件,其中包括碳(非金属)和金属两种材料。随着燃料电池市场规模扩大,业界对短期和长期使用的最佳材料,以及每种材料是否更适合某些应用存在争议。


巴拉德开发燃料电池已有35年,在碳双极板和金属双极板材料方面拥有丰富的经验。我们通过内部加速测试引领市场,并将燃料电池应用于数个重要的乘用车、公交车和卡车项目,以便用现场数据验证测试方案。我们拥有技术性能数据,最近还请了第三方专家进行成本研究,以确定最具成本效益的双极板材料。本文将围绕耐久性、功率密度和大批量制造成本等方面分享为什么碳双极板总体上是更优秀的解决方案。


优化质子交换膜燃料电池双极板的材料选择


双极板是质子交换膜燃料电池中必不可少的材料,它们连接每片电池间电流通路,并提供必要的反应气体,同时除去电池中的反应副产物。


金属双极板通常被认为是长期成本目标的更好选择,这在很大程度上是由于误认为碳双极板的大规模生产成本较高而仅适用于低产量。但金属双极板也有某些明显的缺点,可对成本、耐用性和性能造成影响。


让我们看一下金属双极板和碳双极板之间的一些关键差异。


使用金属双极板有哪些问题?


1、腐蚀倾向


由于金属双极板在酸性环境中具有固有的反应倾向,极易发生腐蚀。为了防止这种腐蚀并延长其使用寿命,它们需要添加昂贵的保护涂层。这一额外的加工步骤增加了金属双极板的成本,并且在需要10,000小时使用寿命要求的应用中留下了长期潜在的腐蚀风险。


2、总体成本较高


除了特殊保护涂层的成本外,金属双极板本身的材料本质上更昂贵。此外,与碳双极板相比,制造加工成本更高。


3、寿命短


金属双极板已针对汽车应用进行了优化,预期寿命为5,000小时。但在重型燃料电池车辆应用中,例如需要双极板寿命超过20,000小时的公交车和卡车,金属双极板尚未在现实工况下证明这样的性能,而碳双极板可以。


碳双极板的主要优点是什么?


在下面的信息图中,我们将展示将碳双极板用于质子交换膜燃料电池的一些关键优势。


碳双极板的成本、耐用性和功率密度优势


1、较低的前期和长期成本


碳双极板的成本比金属双极板要低得多。它们前期成本较低,未来还可通过制造改进降低长期成本。巴拉德最近与StrategicAnalysis公司完成了一项金属与碳双极板成本制造的研究。研究结果证实,碳双极板是所有生产规模中成本较低的选择。


研究表明,当在大批量生产中使用碳双极板时,由于碳双极板的高耐用性,原始设备制造商可以为中型车辆的燃料电池电堆节省5美元/千瓦,为乘用车的燃料电池电堆节省3美元/千瓦。


此外,巴拉德的碳双极板比原始燃料电池电堆寿命更长。一旦电堆达到其使用寿命,巴拉德就可以将膜电极组件(MEA)取出并回收催化剂。然后,我们可以使用循环原始的碳双极板和硬件,便可将电堆重新投入使用,恢复到原始的产品规格。而金属双极板不能重复使用。


这与购买全新的电堆相比,成本要便宜得多。另外,由于目前双极板占电堆整体成本的20-30%,因此可节省的成本十分可观。目前,巴拉德已有数百万个循环使用的碳双极板在正常使用中。


2、更高的耐用性


使用碳双极板的燃料电池电堆已经在一系列应用中证明了它们的寿命和耐久性。如今,金属双极板仅限于对寿命要求不高的乘用车应用,约为5,000小时。而碳双极板在燃料电池公交应用中实现长达超过3万多个小时的无故障运行。


此外,数千个使用碳双极板的巴拉德燃料电池电堆已在物料搬运车辆中运行超过10,000小时。


3、灵活性设计带来更好的性能


双极板的可成型性高低可影响电堆功率密度的高低。金属材料的成型性较低,单面压印内容都在反映在反面上。相比之下,对于碳双极板,设计人员具有更高的设计灵活性,可以更自由地创造真正的3D设计。这使得燃料电池电堆的寿命更长、性能更高、重量更轻,并且具有优越的低温启动能力。


4、使高功率密度电堆成为可能


碳双极板无需涂层和焊接工艺,与金属双极板生产相比具有关键优势。大批量生产高质量的薄碳双极板是符合大众认知的。巴拉德设计的碳双极板电堆功率密度为4kW/L,可与金属双极板解决方案相媲美。


5、巴拉德碳双极板解决方案


根据应用要求,巴拉德可以优化双极板属性和工艺,以满足成本和功率密度目标。通常,高功率密度双极板略贵,但仍比相同功率密度的金属双极板便宜。


结论


巴拉德拥有开发轻型和重型应用的金属和非金属双极板的能力和专业知识。我们的研究和现场数据清楚地表明,碳双极板是最好的解决方案。对于需要耐用性以满足关键生命周期成本目标的中重型车辆尤其如此。


碳双极板技术在所有板材产品中提供最高的耐用性。它能以低成本大批量生产,具有极强的成本竞争力(大约是金属双极板解决方案成本的一半),并且具有高功率密度的设计能力。


碳双极板是期望获得更好性能、更低成本和更长产品寿命的车辆制造商的最佳选择。


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