官方微信
江苏清能第二代超薄非常规流道石墨板燃料电池堆
石墨双极板 文章来源自:燃料电池干货
2019-09-30 14:01:48 阅读:17288
摘要本文解读清能股份第二代石墨板燃料电池堆第三方测试报告。

石墨双极板因其导电、导热性好,耐腐蚀性强等特点,占据当前国内氢燃料电池商用车的半壁江山。近年来,江苏清能新能源技术股份有限公司(以下简称:清能股份)在超薄非常规流道石墨极板等方面表现出世界范围内的技术竞争力。本文特此解读清能股份第二代石墨板燃料电池堆第三方测试报告。


体积功率密度


首先横向对比丰田Mirai、Elringklinger和清能股份三家燃料电池堆的电池层级功率密度(通常燃料电池堆功率密度分为四个级别:活性面积层、电池组层、端板层和外壳层)。丰田汽车公司于2014年12月推出的全球首款量产型燃料电池汽车Mirai搭载了端板内体积功率密度3.1kW/L(含端板)的钛板燃料电池堆。官方数据显示,Mirai燃料电池堆峰值功率114 kW,由370片单体串联组成,单体厚度为1.34 mm,通过实测得到Mirai燃料电池单体的长度和宽度分别为340 mm和182 mm。因此,丰田Mirai燃料电池单体的电池层级功率密度为:114 kW/(370*1.34*340*182)≅3.7 kW/L。


丰田Mirai单电池尺寸参数


德国Elringklinger公司持续专注金属极板燃料电池堆的研发与生产。其在2015年公布的型号为NM 5金属板电堆实现活性面积层功率密度7.2 kW/L,CCM层级6.4 kW/L,电池层4.0 kW/L(2.5bar_a,340A@Uc=0.6V)。


Elringklinger NM 5燃料电池堆外形


清能股份深耕燃料电池堆及系统,基于国内近百人研发团队十多年持续开发和技术积累,源于膜电极、双极板核心材料技术,电堆及其控制技术的全面突破,实现了和国际先进水平的同步-第二代石墨极板电堆功率密度4.3 kW/L(电池层级)。燃料电池单体峰值功率300W,单体厚度1.65 mm,电池长宽:345 mm×121 mm,电池层功率密度为:300 W/(345×121×1.65) ≅4.3 kW/L。虽然丰田Mirai、Elringklinger和清能股份三者电堆的运行条件有所差别,但上述数据足以证明清能股份第二代电堆体积功率密度已经达到世界先进水平。


清能股份短堆测试极化曲线(短堆尺寸:345×121×33 mm;操作参数见下表)


清能股份第二代燃料电池堆功率密度突破依赖于其超薄非常规流道石墨极板、自增湿和柔性燃料电池卷对卷等技术。其中,独家原创的超薄石墨双极板技术已申请了中国、美国和PCT专利。据『燃料电池干货』掌握信息看,清能股份第二代超薄非常规流道石墨双极板厚度比Ballard 9SSL薄近50%,比巴拉德下一代薄10%——20%。清能股份表示,其第三代电堆单体厚度会从目前1.65 mm降低到1.2 mm,体积功率密度至少提高30%,达到5——6 kW/L。


清能股份第二代石墨极板100 kW电堆模块


面积功率密度


面积比功率(面积功率密度)作为燃料电池性能的关键指标,表示单位面积材料发出的功率。通常,在其他条件不变基础上,该参数翻倍意味燃料电池体积功率密度翻倍,材料成本则降低一半。清能股份第二代石墨极板燃料电池堆面积比功率达到全球领先的1.5 W/cm2。


操作参数对比(清能股份 VS 丰田Mirai VS Elringklinger VS Nuvera)


对比上述四家公司的操作参数可以看出,清能股份第二代石墨极板燃料电池堆的运行环境和Elringklinger、Nuvera基本相同,具有相近的阴极压力和湿度。但Elringklinger和Nuvera公司电堆需要增加近1倍的氢侧计量比,清能股份第二代石墨极板电堆氧侧计量比需要高出20%。因此,在运行条件基本相同情况下,清能股份第二代石墨燃料电池堆性能略高。


丰田Mirai极化曲线数据表(来源:USCAR)

丰田Mirai极化曲线(来源:USCAR)


观察上述丰田Mirai燃料电池堆极化曲线数据可以发现,丰田Mirai的运行环境要求相对较低—较低的空气流量、压力和湿度。因此,在同样运行条件下,丰田Mirai电堆性能不比清能股份的第二代石墨极板燃料电池堆性能低。


清能股份短堆测试极化曲线(短堆尺寸:345×121×33 mm)


清能股份第二代燃料电池堆与世界其他先进公司相比,面积比功率参数有所提高。可以想象,在采用与丰田Mirai相同厚度的质子交换膜后(15 um降低到10 um),清能股份燃料电池堆性能有望再提高20%。


自增湿性能


某种程度上,湿度敏感度代表着燃料电池堆的自增湿能力。燃料电池堆自增湿设计有助于简化系统结构和降低成本。丰田汽车公司Mirai燃料电池堆的自增湿性能主要通过以下4点实现:①.薄膜化加速阴极侧电化学反应产物水的反扩散;②.氢气循环系统(氢气循环泵)中增加了阳极入口到出口的水蒸气供给,氢气侧实现水循环;③.空气和氢气的逆流形式;④.增加阴极入口冷却液流量,抑制温度过高,增加阴极入口侧气体相对湿度。


丰田Mirai电堆阴极湿度敏感度分析


清能股份第二代电堆阴极湿度敏感度分析


丰田Mirai和清能股份第二代电堆皆采用了自增湿设计,可以实现部分或完全自增湿。德国Elringklinger和美国Nuvera公司电堆并没有进行自增施湿设计,都需要外部增湿。


对比丰田Mirai和清能股份第二代燃料电池堆阴极相对湿度敏感度可以看出,丰田Mirai电堆在湿度从5%变化到70%时,电压变化从0.695 V到0.704 V,接近9 mv波动;清能股份第二代石墨极板电堆在湿度15%变化到80%时,电压变化从0.651V到0.656 V,只有5 mv波动。由于运行条件不一,无法说明清能股份第二代燃料电池堆自增湿能力一定比丰田Mirai强,但足以证明清能股份第二代电堆在设计运行条件下,可以达到良好的自增湿效果。


目前,清能股份正在落实第二代石墨双极板电堆批量化生产工作。2019年底前,清能股份将实现最大功率150 kW燃料电池单堆的海外市场出口,功率范围覆盖40、60、80、100、120、150kW。目前,其已与多家海外车企客户在洽谈中。


文/燃料电池干货


作者/燃料电池博士


此文章有价值
手机扫一扫,分享给朋友
返回顶部