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        農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人中超薄金屬復(fù)合雙極板及燃料電池的研制

        2021-12-05 09:33:27劉恒偉
        智慧農(nóng)業(yè)導(dǎo)刊 2021年12期
        關(guān)鍵詞:功率密度極板質(zhì)子

        樊 昕 ,劉恒偉

        (1.泰山科學(xué)技術(shù)研究院,山東 泰安 271000;2.泰安市化工專項(xiàng)行動辦,山東 泰安 271000;3.山東岱擎新能源科技有限公司,山東 泰安 271001)

        農(nóng)業(yè)機(jī)械化是農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的重要組成部分,農(nóng)業(yè)機(jī)械化是智慧經(jīng)濟(jì)形態(tài)在農(nóng)業(yè)中的具體表現(xiàn),是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)趕超戰(zhàn)略的重要途徑。農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人是農(nóng)業(yè)機(jī)械化的先進(jìn)代表之一,其充分應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)成果,集成應(yīng)用計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、音視頻技術(shù)、3S技術(shù)、無線通信技術(shù)及專家智慧與知識,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可視化遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程控制、災(zāi)變預(yù)警及智能管理等功能,在農(nóng)業(yè)精細(xì)化作業(yè)、田間管理、植保無人機(jī)等方面可發(fā)揮重要作用,并且正在向小型微型、低功耗、智能化和自動化方向發(fā)展。傳統(tǒng)戶外機(jī)器人的動力裝置主要是蓄電池,但蓄電池存在效能低、壽命短、污染重等問題。近年來,具有不受卡諾循環(huán)限制、能量轉(zhuǎn)換效率高、可低溫快速啟動、無電解液流失和腐蝕性、使用壽命長等特點(diǎn)的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)逐漸成為農(nóng)業(yè)機(jī)器人能源裝置的首選。

        1 質(zhì)子交換膜燃料電池反應(yīng)原理

        質(zhì)子交換膜燃料電池可以將氧化劑和氫燃料轉(zhuǎn)化為電能。燃料電池主要元件是由質(zhì)子交換膜和多孔導(dǎo)電碳層組成。可引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)的金屬鉑催化劑均勻分散地涂覆在膜與碳層界面上。電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電子由導(dǎo)電物體從膜兩極經(jīng)由外電路導(dǎo)出形成電回路。

        燃料滲透通過多孔擴(kuò)散材料后,在膜電極正極的催化劑表面反應(yīng),電子失去,轉(zhuǎn)為正離子。正離子經(jīng)由質(zhì)子交換膜到達(dá)膜電極的負(fù)極,在催化劑表面轉(zhuǎn)為負(fù)離子。負(fù)極的負(fù)離子與正極的正離子反應(yīng),形成反應(yīng)產(chǎn)物。

        質(zhì)子交換膜燃料電池以氫氣為燃料,以空氣為氧化劑,通過電化學(xué)反應(yīng),氫在正極形成氫正離子。氫正離子在質(zhì)子交換膜作用下運(yùn)行到負(fù)極。同時(shí),含氫氣流與含氧氣流由質(zhì)子交換膜隔離,不會發(fā)生爆發(fā)反應(yīng)。

        氧氣在負(fù)極催化劑表面形成負(fù)離子,正極運(yùn)動來的氫正離子與之反應(yīng)生成水。

        膜電極置于質(zhì)子交換膜燃料電池的導(dǎo)電極板中間,與膜電極接觸的導(dǎo)電極板表面有經(jīng)過工藝處理的導(dǎo)流槽。極板材料可選用金屬材料或碳材料。燃料和氧化劑由導(dǎo)電極板導(dǎo)流孔和導(dǎo)流槽引進(jìn)膜電極的正負(fù)極。一個質(zhì)子交換膜燃料電池有一個膜電極,正極燃料導(dǎo)流板與負(fù)極氧化劑導(dǎo)流板置于膜電極兩端。導(dǎo)流極板可起到膜電極的支撐作用,也是電流集流板。氧化劑和燃料以導(dǎo)流槽作為進(jìn)入正負(fù)極的通道,也是反應(yīng)物——水的導(dǎo)出通道。

        多個單電池以平鋪或疊砌形式串聯(lián)成電池堆來提高質(zhì)子交換膜燃料電池的總功率。電池堆的極板兩面都開設(shè)有導(dǎo)流槽,既是上個膜電極的正極導(dǎo)流槽,又是下一個膜電極的負(fù)極導(dǎo)流槽,此方式的極板為雙極板。多個電池連接形成的電池堆通過固定桿和前后端板相連。

        燃料電池堆的端板上開設(shè)有氧化劑、燃料和冷卻液的進(jìn)出口。氧化劑和燃料通過導(dǎo)流入口及導(dǎo)流通道引至正負(fù)極的導(dǎo)流槽中,冷卻液通過通道進(jìn)入電池堆冷卻道中,中和氫氧反應(yīng)產(chǎn)生的熱量并排走,電池堆排出氧化劑和燃料氣體,同時(shí)排出產(chǎn)生的汽液形態(tài)的水。

        質(zhì)子交換膜燃料電池是今后電動汽車、鐵路、海運(yùn)、無人機(jī)、智能機(jī)器人等戶外作業(yè)機(jī)電裝置的重要動力來源。質(zhì)子交換膜燃料電池的核心元件是雙極板,但由于傳統(tǒng)雙極板單位面積利用率低以及體積大、加工難、質(zhì)量重等原因,影響了燃料電池功率的發(fā)揮及商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化步伐。

        2 質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化生產(chǎn)研發(fā)路徑

        作為農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人能源裝置首選的質(zhì)子交換膜燃料電池固然有功率密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、可低溫快速啟動等優(yōu)點(diǎn),但是其商業(yè)化生產(chǎn)之路并不暢通。主要原因除了生產(chǎn)成本高外,重量比功率和體積比功率較低也是主要因素。雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池核心部件之一,占據(jù)了電池組很大一部分的質(zhì)量和成本,且承擔(dān)著均勻分配反應(yīng)氣體、傳導(dǎo)電流、串聯(lián)各單電池等功能。所以,研制性能高、成本低的雙極板是質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化生產(chǎn)的必由之路。目前,石墨板、金屬板、復(fù)合雙極板是常見的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板,而復(fù)合雙極板兼有碳材料板和金屬板的優(yōu)點(diǎn),突出表現(xiàn)在強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、阻氣效果好、導(dǎo)熱性強(qiáng)、抗腐蝕能力強(qiáng)、體積小,有助于質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化。美國Los Alamos實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)使用石墨/樹脂雙極板;德國Simens公司采用薄金屬雙極板等;德國西格里碳素公司具備了規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)燃料電池雙極板的能力,研制出聚丙烯、聚偏氯乙烯以及熱固性酚醛樹脂為主要粘結(jié)劑的復(fù)合材料雙極板;日本豐田汽車公司在其研發(fā)的Mirai燃料電池汽車上使用金屬雙極板和涂層,解決了腐蝕和導(dǎo)電等問題,此類研發(fā)在一定程度上提高了雙極板的性能,降低了雙極板的成本。

        3 三種常見雙極板的比較

        3.1 雙極板的特性與功能

        作為燃料電池重要組成部分的雙極板(集流板)兼有多種功能和特性,要能阻隔氣體的滲透,防止燃料和氧化劑混合;能對電流進(jìn)行收集和傳導(dǎo),要具備較高的導(dǎo)電率;氣體可以通過雙極板的流道均勻分散到極板的反應(yīng)區(qū)參與反應(yīng);能夠盡快釋放反應(yīng)產(chǎn)生熱量,防止電池過熱;具備一定的耐腐蝕性,以延長電池壽命;具備一定強(qiáng)度,能經(jīng)受一定力度的沖擊和震蕩;質(zhì)輕壁薄體積小,加工成本低廉;加工工序簡單,適合于批量生產(chǎn)等。

        3.2 三種雙極板性能優(yōu)劣比較

        常見雙極板有三類,碳材雙極板、金屬雙極板和復(fù)合雙極板。早期的雙極板多為石墨雙極板,可以經(jīng)過機(jī)械加工處理形成氣體流道,其低電阻和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特性曾一度成為燃料電池的主要類型。但石墨質(zhì)脆、抗壓強(qiáng)度小,加工難度大,極板做薄難度大,組裝復(fù)雜,制配的燃料電池功率密度小。石墨雙極板的主流供應(yīng)商有美國POCO、美國SHF、美國Graftech、日本Fujikura Rubber、日本Kyushu Refractories、英國Bac2等。中國石墨雙極板廠商主要有億華通、上海弘楓、杭州鑫能石墨、江陰滬江科技、淄博聯(lián)強(qiáng)碳素材料、上海喜麗碳素等,正逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。

        金屬雙極板的選材多為鎳、鈦、鋁或不銹鋼,因金屬板具有較強(qiáng)的剛性和強(qiáng)度,電阻低,導(dǎo)熱性能好,機(jī)械加工簡單,板壁薄,批量制備容易,電池功率密度高而受到青睞。但燃料電池的酸性環(huán)境容易腐蝕雙極板,需要進(jìn)行耐腐蝕處理,還要保證接觸電阻低且性能穩(wěn)定。英國Intelligent Energy新一代EC200-192金屬雙極板燃料電池模塊的功率密度更是達(dá)到了5kW/L。金屬雙極板主要供應(yīng)商有瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國Treadstone等。

        復(fù)合雙極板通常是以石墨為主加上粘結(jié)劑等制成,具有一定柔性,可解決石墨雙極板加工難和易碎等問題,缺點(diǎn)是制備方法繁瑣,導(dǎo)電性較差,機(jī)械性能不好,不易組裝等。兼有碳材料和金屬雙極板優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合雙極板,顯著優(yōu)化了電池的體積功率,但是對于碳基復(fù)合材料類的非金屬組件的制備,傳統(tǒng)上通過固相法熱模壓工藝對固體粉末材料進(jìn)行制備,脫模難度大,生產(chǎn)成本高。而且,此類碳基復(fù)合材料缺點(diǎn)是電阻大,增加了電池內(nèi)阻損耗,導(dǎo)致能量效率偏低。所以,制備復(fù)合雙極板重點(diǎn)在于降低其電阻。

        4 金屬基復(fù)合雙極板的研制

        4.1 金屬基復(fù)合雙極板的優(yōu)勢

        復(fù)合材料制備的雙極板具有加工難度低、質(zhì)量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn),成為制作質(zhì)子交換膜燃料電池的首選。復(fù)合雙極板有金屬基和石墨基兩種。石墨基雙極板是混合碳粉和聚合物樹脂壓模成型,質(zhì)輕、無污染。金屬基雙極板曾有美國實(shí)驗(yàn)室集成了不銹鋼、聚碳酸酯塑料和多孔石墨的優(yōu)勢,以金屬箔為分隔板,以多孔石墨板為導(dǎo)流板,優(yōu)化了燃料電池的功率密度。

        金屬基材料強(qiáng)度高、隔離效果好、接觸電阻低、加工難度低,在燃料電池中應(yīng)用較廣。金屬抗沖擊性好,沖壓成型批量生產(chǎn)可降低生產(chǎn)成本。高強(qiáng)度可避免板片破損引發(fā)漏氣。金屬韌性好,可減小厚度減輕電池質(zhì)量。金屬導(dǎo)熱性好,可快速釋放電池產(chǎn)生的熱量,以提高電池性能。金屬導(dǎo)電率高,可降低損耗提高功率密度。金屬隔離性好,在電池正負(fù)極間可以較好地隔離反應(yīng)氣體。因此,金屬基材料做雙極板可有效達(dá)到電池的預(yù)期目標(biāo)。

        4.2 金屬基復(fù)合雙極板制作過程

        選取厚度在500微米以內(nèi)的超薄金屬片(鋁質(zhì)、銅質(zhì)、不銹鋼材、鈦金屬、銀質(zhì)均可),表面涂以聚合物導(dǎo)電漿液(以1微米粒徑內(nèi)的金粉、銀粉、石墨烯、鱗片石墨、天碳納米管、導(dǎo)電炭粉、中間相炭微球、復(fù)合石墨、碳纖維的導(dǎo)電充填物單材或混合物,加以酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅樹脂、PEFT樹脂、脲醛樹脂、三元乙丙樹脂和聚酰亞胺的聚合物單材或混合物,均勻混合分散劑和粘結(jié)劑并攪拌研磨),以微凹版涂覆、噴涂、擠壓涂覆、絲網(wǎng)印刷、刷涂、刮涂、浸涂等方式加以涂覆,厚度控制在幾百微米以內(nèi),輔以烘箱加熱的方式使其固化成型,可制備出適合本研究的金屬基復(fù)合雙極板。本方案的金屬基薄片要經(jīng)過工藝處理以具備燃料電池環(huán)境下抗腐蝕的特性。粘結(jié)劑主要是聚烯烴類、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇之一,或是它們的組合,分散劑為丙酮、N-二甲基乙酰胺、乙醇、N-甲基吡咯烷酮等常見有機(jī)溶劑。此方案制備的雙極板具有接觸電阻低、成本低廉、可批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

        5 高功率密度燃料電池研發(fā)展望

        經(jīng)過幾十年的研發(fā),高功率密度燃料電池日漸成為具有普適性的能源轉(zhuǎn)換裝置。為穩(wěn)定、持久地適應(yīng)商業(yè)化應(yīng)用,還需要注意如下方面的改進(jìn):一是優(yōu)化電池結(jié)構(gòu),使各元件有機(jī)適配發(fā)揮作用;二是拓展研究動電位極化老化,更好地對燃料電池進(jìn)行模擬;三是加強(qiáng)對涂層的研究,滿足相關(guān)性能的要求;四是以農(nóng)業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境、狀況為變量,研究各相關(guān)因素間的耦合關(guān)系,對導(dǎo)電性和持久性進(jìn)行建模,提升復(fù)合雙極板燃料電池的功效。

        6 結(jié)束語

        目前,新一代燃料電池設(shè)計(jì)更多地依賴于相關(guān)能源材料的開發(fā)與其內(nèi)部過程的優(yōu)化,然而燃料電池內(nèi)多尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)過程為此帶來了巨大挑戰(zhàn)。本研究通過對金屬復(fù)合雙極板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)一步提高燃料電池的功率密度,取得了理想的效果。今后,農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人應(yīng)用此類高功率密度燃料電池后,將大幅提升其續(xù)航能力和作業(yè)功效,為智慧農(nóng)業(yè)作出更大貢獻(xiàn)。

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