燃料電池作為高效、清潔的能源轉換裝置,其核心組件電堆的設計與開發是決定整體性能、壽命與成本的關鍵。電堆并非單電池的簡單疊加,而是一個涉及多物理場耦合、多材料協同、多工藝集成的復雜系統。其關鍵技術開發主要涵蓋以下幾個方面:
一、核心材料與部件技術
- 膜電極(MEA)技術:這是電堆的“心臟”,其性能直接決定電堆的輸出能力。關鍵技術包括:
- 質子交換膜:研發具有高質子電導率、優異機械強度與化學穩定性、低氣體滲透率的增強型復合膜,以提升耐久性并降低成本。
- 催化劑:開發低鉑、非鉑催化劑,通過優化載體(如高穩定性碳材料、金屬氧化物)與合金化等手段,提高催化活性與抗中毒能力,是降低貴金屬用量的核心。
- 氣體擴散層(GDL):優化其孔隙結構、親疏水性及導電性,確保反應氣體、液態水、電子和熱的有效傳輸與平衡。
- 雙極板技術:雙極板承擔著分隔反應氣體、收集電流、傳導熱量、支撐MEA等多重功能。關鍵技術包括:
- 材料選擇:金屬雙極板需解決表面導電耐蝕涂層技術;石墨/復合板需優化樹脂體系與流道成型工藝,在導電性、氣密性、強度與成本間取得平衡。
- 流場設計:開發高效、均勻的流場結構(如蛇形、平行、交指型、仿生流場等),以優化氣體分布、水管理能力并降低壓降。
二、電堆結構與集成技術
- 密封技術:開發長壽命、低滲透、抗蠕變的密封材料與結構設計,確保各腔室間的氣密性與水密性,防止氣體交叉泄漏,這是保障安全與耐久性的基礎。
- 均一性設計與制造:通過精密的公差控制、裝配工藝(如自動疊裝、一體化焊接/粘接)和在線檢測,確保數百片單電池在電壓、電流、溫度、壓力等參數上高度一致,避免“木桶效應”。
- 水熱管理集成設計:電堆內部水(液態與氣態)和熱的產生、傳輸、排出是一個動態平衡過程。需通過流場設計、溫度場控制、材料親疏水特性匹配以及系統運行策略協同,實現電堆內部自增濕或簡化外部增濕,并防止膜干或水淹。
三、仿真、測試與耐久性提升技術
- 多尺度多物理場仿真:建立從催化劑顆粒、膜電極、單電池到整堆的多尺度模型,耦合電化學反應、流體動力學、熱傳遞、物質傳遞及應力場,進行虛擬設計與性能優化,大幅縮短開發周期。
- 先進測試與診斷技術:開發原位、非破壞性的測試方法(如電流分布、溫度分布、阻抗譜測量),精準評估電堆內部狀態,為故障診斷與壽命預測提供依據。
- 耐久性加速測試與衰減機理研究:設計科學的加速應力測試協議,研究在啟停、怠速、高負載、雜質等實際工況下材料與部件的衰減機制(如催化劑團聚/溶解、膜化學降解、碳腐蝕等),并針對性改進材料與系統控制策略。
四、低成本、批量化制造技術
推動關鍵材料(如膜、催化劑漿料)與部件(雙極板、GDL)的標準化與規模化生產,開發高效、穩定的卷對卷膜電極制備工藝,以及高精度、高自動化的電堆組裝與活化工藝,是降低燃料電池系統總成本、實現商業化應用的根本路徑。
燃料電池電堆的設計開發是一項系統工程,需要材料、化學、機械、熱工、控制等多學科交叉融合與持續創新。未來技術發展將繼續圍繞“提高性能、延長壽命、降低成本”三大核心目標,通過關鍵材料創新、精細化設計、智能制造與智能控制,推動燃料電池技術在交通、儲能等領域的規?;瘧?。