豐田燃料電池電堆研發團隊,在經歷了近15年的電堆研發經驗積累后,使燃料電池電堆的功率密度有了非常大的提升,如下圖。其中,燃料電池電堆質量功率密度從2008年的1 kW/kg發展到Mirai一代燃料電池電堆的2.8 kW/kg,現在到了Mirai二代的5.4 kW/kg,同時其體積功率密度也實現了2 kW/L、3.5 kW/L、5.4 kW/L的三級跳。
今天小編就和大家一起來學習一下豐田Mirai二代燃料電池電堆在總體制造流程、催化劑層制造工藝、膜電極制造工藝上為了實現量產,開展了哪些創新和優化。
電堆總體制造流程
豐田Mirai二代燃料電池電堆的外觀和單電池的組件如下圖。目前電堆峰值功率128 kW,整個電堆呈矩形立方體形狀,由330節燃料電池單電池串聯組成,每節單電池的陽極采用波紋流道,陰極采用部分變窄的直流道,膜電極包括三層,分別為質子交換膜PEM、催化劑層CL和氣體擴散層GDL。
電堆的主要生產制造流程如下圖。對于催化劑層CL,是將催化劑和離聚物混合,然后噴涂在質子交換膜的兩側。對于氣體擴散層GDL,首先對其基材進行疏水處理,使其能夠在燃料電池水管理過程中更高效的工作,然后將處理好的GDL與陰/陽兩極的催化劑層CL壓接在一起。對于陰/陽兩極的雙極板,首先對襯底進行表面鍍層處理,以確其保防腐性和高電導率,然后沖壓成型,最后和MEA、GDL組裝成燃料電池單電池。
① 催化劑層的成型技術
豐田Mirai二代燃料電池催化劑是將研制好的催化劑油墨噴涂到由卷對卷(roll-to-roll)傳送的物料上,總體流程如下圖。由于催化劑油墨中主要為貴金屬Pt,因此噴涂過程中采用間接式噴涂,即只在實際應用的部分噴涂,一定程度上降低了制造成本,同時也加快了制造速度。豐田Mirai二代電堆團隊通過對催化劑油墨的制造工藝優化和高速間歇式涂層閥的控制實現了催化劑層的成型。
② 催化劑油墨的制造
催化劑油墨是一種由催化劑和離聚物(增稠劑)組成的調和物,催化劑油墨的粘滯彈性(viscoelasticity)很大程度上決定了噴涂效果,Mirai一代和Mirai二代都通過催化劑噴墨塔中攪拌槳葉對催化劑油墨的攪拌工作,來實現催化劑油墨均勻合適的粘滯彈性。為了保證催化劑和離聚物在整個催化劑噴墨塔中充分混合,豐田Mirai二代團隊與Primix公司合作,對攪拌槳葉進行了優化,將Mirai一代采用的傳統分散葉片優化成了現在的Leviastar葉片,改進后的結果如下圖,可以看到整個罐體內各個角落都能夠得到很好的混合。使得Mirai二代的催化劑油墨混料時間比Mirai一代的減少了一半,同時整個設備的成本也得到了降低。
③ 高速間歇式噴涂閥
豐田Mirai二代采用的高速間歇式噴涂閥原理示意圖如下。可以看到這是一個集成閥,它集成了一個開關閥和回吸閥,其中開關閥可以通過旋轉電機軸來控制閥的開閉;回吸閥可以在很短的時間里控制夾縫式涂布過程中的噴涂壓力。
相較于Mirai一代,Mirai二代在開關閥上通過旋轉其閥芯上的通孔來控制噴涂時機,使該閥門的操作時間減短了一半。另外,目前開關閥和回吸閥的配合也可以在調整噴涂壓力的同時適應不同屬性的油墨,方便未來基于相同的噴涂設備,直接單獨研發不同的催化劑油墨。
豐田Mirai二代電堆團隊對燃料電池膜電極的定義與傳統的定義方式稍有不同,傳統膜電極MEA(Membrane Electrode Assembly)的結構定義主要包括質子交換膜PEM和陰/陽極催化劑層CL。豐田Mirai二代的膜電極為MEGA(Membrane Electrode Gas Diffusion Layer Assembly),指的是在傳統MEA的結構上又包括了氣體擴散層GDL。豐田Mirai二代采用的MEGA加工基本流程如下圖。
可以看到整個過程中主要使用了貫穿全流程的卷對卷工藝流程,通過熱壓輥對已經噴涂好催化劑層的MEA和氣體擴散層進行熱壓結合,使得MEGA產量可以有大幅度的提升。
在利用熱壓輥進行熱壓的過程中,豐田Mirai二代團隊關注到了GDL在該過程中發生斷裂的現象,該現象的機理如下圖。可以看到該問題的本質來自GDL材料本身,即為了提高燃料電池功率密度和降低零部件成本,GDL被制作的越來越薄,其脆性增大且延展性降低,導致GDL在熱壓輥上彎曲的過程中容易產生破裂。
豐田Mirai二代電堆制造團隊聯合GDL材料供應商,利用多元回歸分析法(multiple regression analysis)優化材料的拉力控制以及其它影響熱壓過程的因素,最終確保GDL在熱壓輸運過程中具有較大的拉力承載性,進而避免了GDL在熱壓過程中破裂的發生。
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原文始發于微信公眾號(燃料電池百科):研學丨豐田Mirai二代燃料電池電堆生產技術(一)