【模切百科】氫燃料電池汽車，石墨雙極板介紹

前一段時(shí)間我們發(fā)布了一篇關(guān)于氫燃料電動(dòng)汽車前景的文章，我們認(rèn)為北京冬奧會(huì)是氫能源汽車一個(gè)很好的應(yīng)用場景，低溫使用，全周期幾乎沒有碳排放。未來氫燃料電池和鋰電池以及燃油將三分天下。氫燃料電池汽車主要有幾個(gè)部分組成，電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)、車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)等。其中今天要介紹的石墨雙極板就屬于燃料電池堆里面重要的部件。

質(zhì)子交換膜燃料電池堆是由一片片單電池串聯(lián)組裝而成的，其中，單電池由陽極板、MEA（膜電極）以及陰極板組成。通常，單電池的使用電壓為0.6~0.85V，在集成燃料電池堆時(shí)可根據(jù)需要選擇單電池的串聯(lián)數(shù)量。作為質(zhì)子交換膜燃料電池堆的重要組件，雙極板的質(zhì)量占燃料電池堆的60~80%，成本占20~40%，并且?guī)缀跽紦?jù)了整個(gè)燃料電池堆的全部體積。

石墨板電堆(來源：氫璞創(chuàng)能官網(wǎng))

雙極板在氫燃料電池電堆里面起的作用主要是引流、支撐導(dǎo)電的作用，所以它本身雙極板有一定的性能要求：

• 一方面要求電導(dǎo)率高，因?yàn)樗休d著需要有一定的機(jī)械強(qiáng)度；

• 另外在導(dǎo)流電以外，還要?dú)饷苄员容^好；

• 還有一個(gè)是在使用過程中，因?yàn)殡p極板環(huán)境下需要有一個(gè)良好的耐腐蝕性能，需要滿足跟車輛同等的使用壽命；

• 另外在對于我們汽車這一塊應(yīng)用的話，還有一個(gè)比較敏感的就是成本，所以需要極板制造效率高，需要降低它的制造成本。

金屬雙極板

目前雙極板其實(shí)主要可以分為兩大類，一種是金屬極板，一種是石墨極板。石墨現(xiàn)在用得比較多的就是模壓的雙極板。在這一塊目前不同參數(shù)的雙極板有各自的優(yōu)勢，但相應(yīng)來說也會(huì)存在一些缺點(diǎn)，所以這兩種的話可以說是一個(gè)相互競爭，也是一個(gè)相互補(bǔ)充。

金屬雙極板主要優(yōu)勢是它的機(jī)械強(qiáng)度好，氣密性好，極板可以做得很薄，在功率密度這一塊是很大的優(yōu)勢，但存在的問題是腐蝕性的問題，導(dǎo)致使用壽命目前是存在一些問題的。

而石墨板的話在導(dǎo)電、導(dǎo)熱，包括耐腐蝕性這一塊、使用壽命這一塊是比較強(qiáng)的，但是目前石墨板的話其實(shí)無論是哪一種，目前因?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度方面的原因，導(dǎo)致整個(gè)雙極板的厚度這一塊是偏厚的，所以我們這個(gè)電堆做起來的體積是偏大的。

此外還有一種復(fù)合雙極板，其實(shí)從嚴(yán)格意義來說也算是一種石墨基的雙基板，它的主要成分包括樹脂、導(dǎo)電材料，采用模壓工藝進(jìn)行成型。石墨雙極板相對來說其實(shí)在金屬雙極板和傳統(tǒng)的石墨雙極板之間可以說是做一個(gè)性能的平衡，具有比較高的機(jī)械強(qiáng)度和比較高的韌性，所以在材料的配套設(shè)計(jì)，可以帶來這個(gè)產(chǎn)品的輕薄，另外氣密性比較好，不過目前生產(chǎn)的廠家少。

氫燃料電池汽車目前以商用車為主，商用車對電池的體積和重量沒有乘用車那么敏感，采用的是石墨雙極板為主。以氫燃料電池商用車使用的石墨雙極板為例，目前市場價(jià)為150元一組左右，而一輛搭載了75千瓦電堆的商用車需要的雙極板數(shù)量為300組左右，僅雙極板成本就高達(dá)4.5萬元左右，整個(gè)電堆的成本達(dá)十幾萬元。可見石墨雙極板加工行業(yè)目前的產(chǎn)值很高。

氫能源大巴

在2020年市場中燃料電池系統(tǒng)的應(yīng)用主要以商用車輛為主，其中的核心部件燃料電池電堆以石墨極板電堆為主，從未來的發(fā)展來看石墨雙極板仍然會(huì)長時(shí)間占有商用車市場的較大份額。

石墨是熱和電的良導(dǎo)體，具有較高的電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及耐腐蝕、低密度等優(yōu)點(diǎn)，用于制作雙極板具有先天獨(dú)特的優(yōu)勢。

由于石墨是一種多孔的脆性材料，強(qiáng)度低、延展性差（比較脆），難以滿足雙極板的氣密性要求，因此在加工時(shí)，需要對石墨進(jìn)行反復(fù)浸漬、碳化處理從而制造成無孔的具有良好氣密性的無孔石墨雙極板。

因此石墨雙極板在加工制造時(shí)對制造工藝具有很高的要求，否則就容易使得制造成的雙極板具有較高的孔隙，氣密性較差，裝成燃料電池堆不僅影響電堆的整體性能，還有可能導(dǎo)致氫泄露，造成安全隱患。

那么石墨雙極板為何占據(jù)著如此大的市場份額，它又是怎樣一步步從石墨變成雙極板呢？下面小編就來一起了解：

1. 原材料準(zhǔn)備

1000-1300℃的高溫下將焦炭和瀝青混合后化形成碳素然后將碳素材料浸漬瀝青、烘焙，再用電熱爐在2500-3000℃的高溫下進(jìn)行石墨化。

2. 切片

根據(jù)雙極機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行初步地粗略切片處理。

3. 浸漬

切片后進(jìn)行樹脂浸漬處理，填塞石墨表面和內(nèi)部孔隙，通常浸漬24小時(shí)，然后進(jìn)行熱處理使樹脂固化。根據(jù)浸漬樹脂的不同，又分為酚醛浸石墨和糠醇浸石墨等。

4. 打磨

切片后的雙極板尺寸較為粗糙，浸漬后的石墨雙極板的表面光潔度也差，因此需要進(jìn)行打磨其中打磨又包括粗磨、中磨和細(xì)磨。

5. 雕刻加工

雕刻加工是雙極板生產(chǎn)制造的關(guān)鍵步驟，雙極板的尺寸公差及流場質(zhì)量均取決于雕刻機(jī)的精度。

另附石墨雙極板廠商：