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2022年07月07日

石墨材料在燃料电池中的应用

石墨材料在燃料电池中的应用 2011：美国燃料电池：Ballar Power Systems）

卡博特能源材料总经理Greg Romney对《增强塑料》（Reinforced Plastics）杂志这样说：“可以看到，市场对先进材料的需求比一年前高了一个数量级。通常来说，对基本工艺的关注改变了材料的性能，燃料电池的开发者在寻求第二代电池反应堆，即采用更少的铂，获得耐久性同时保持原有催化性能。不过这些都将依赖于材料和工艺的创新。”材料革新的潜力在2004年的燃料电池年会上，GrafTech International公司介绍了他们的产品GRAFCELL，一种用于双极板的可延展的天然石墨材料。通过化学处理和热处理技术，GrafTech将天然石墨的形态变为可延展的、柔软的、像蠕虫一样的形态。通过压缩，这些蠕虫各向异性地互相连接（无粘结）成一片块状石墨薄片，或与树脂结合来增加冲压和机加工双极板的结构刚度。与非连续石墨及传导率在15~40 Wm-K的树脂复合材料的相比， GRAFCELL通过公司专有的技术——分散材料中的热量，可使传导率达到140~500 Wm-K。2005年，该公司首次推出了一种可用作GDL基材的高孔隙率石墨片材料。驻扎在美国俄亥俄州Lakewood市的GrafTech公司国际市场与市场信息经理Gus Skalkos解释说，所有的GDL开始都是以碳纤维纸或碳纤维织物为基材的，现在GrafTech公司的GDL有了新的基体材料，它采用多孔天然石墨片制成，供应商可以对热导率和电导率、厚度、穿孔数量和孔的大小、形状，甚至孔间不同方向上的通道尺寸从微观上进行设计。 Gus Skalkos说：“将这种基材引入GDL的是一个多微孔的亚层，顾客可以按照自己的特殊要求来选择。” Skalkos还非常自豪地宣称，全世界85％的燃料电池汽车（FVC）都使用GRAFCELL材料制成的双极板，这些板在超过一亿千米长的公路测试中还没有出现过任何故障。因此，GrafTech公司成为加拿大British Columbia省Burnaby市Ballard Power公司唯一供应商。Ballard Powe是一家燃料电池堆原始设备供应商，是PEMFC技术的世界领先者。大部分FCV都在Ballard公司的反应堆基础上运行，除了对GrafTech公司进行战略投资外， Ballard将其材料供应合同延长到了2015年，并允许GrafTech公司向燃料电池产业大量提供GRAFCELL产品。 “它为新材料的推广应用提供了一个很好的平台，从而将燃料电池技术带入了全球市场。”Skalkos这样评论2005年燃料电池年会。关于关注材料的呼声，Skalkos表示同意：“在这方面，我们确实看到了一种很强的推动力。燃料电池工业需要突破性的发展和设计。如果在未来的5年里我们真的需要燃料电池，那么从技术上来说，没有什么可以阻止我们实现这一目标。” 现在，GrafTech公司也在制造双极板。Skalkos说：“我们的电极板价格非常符合美国能源部门2010年量产成本目标：即在500万电池堆产量基础上，每辆80 kW车用电池堆的价格为的5.03欧元/kW。这样算来，每辆车的电极板成本大约为420欧元。”

GrafTech材料的发展现在可以进行石墨材料的微观设计，特别是电导率和热导率

纤维纸、纤维织物、纤维卷 Ballard Material Products（BMP）公司与其母公司Ballard Power Systems公司参展美国燃料电池年会已有三年。今年1月份，BMP获得一份价值3350万、为期四年的专有供货合同，即为一家大型汽车制造商的自动化传动装置提供碳摩擦材料。这份合同对Ballard公司燃料电池利润的重要性在于，他们可以大批量的生产燃料电池，还可以为其它产品（比如GDL）提供实践经验。生产GDL需要考虑各种因素，包括孔隙率、孔尺寸的控制、材料的润湿性、弹性、强度，以及最终在燃料电池中的可用性。GDL基材需要具有多次打开和卷起的能力，这对滚动工艺的实施很重要。 BMP的市场主管Steve D'Urso解释说，BMP AvCarb碳纤维织布和AvCarb碳纤维纸中的碳纤维是一样的，都是用合成聚丙烯腈（PAN）纤维制成的。这包括PAN经过热处理转变为一种叫做OXPAN的中间体形式，这种中间体可以加工成长的纺织标准纱。短切碳纤维用来制成传统的湿法铺叠纸，并采用专有的热处理方法来提高GDL的性质。然后，OXPAN中间体织物和处理过的碳纤维纸经由Ballard的专有AvCarb工艺碳化。长卷纤维布和纤维纸很容易与滚动生产工艺相结合。纤维布和纤维纸可作为基材出售或者加工成GDL。

填充石墨粒子的PAN基AvCarb碳纤维纸卷，由Ballard Power Systems公司和Ballard Material Products公司开发，符合PEMFC用GDL的成本和质量要求。

在去年11月份的燃料电池年会上，BMP推出了一种新的气体扩散系统，它具有高的电流密度，在500 mV时为2.6 A/cm2。D'Urso指出，碳织布和纸销售量从2003年起已经逐年递增。相比2003年较低的数千平方米的产量，2004年增长了50％；在此基础上，2005年又增长了30％。他预计2006年产量将达到2000~10000平方米。 “我认为燃料电池堆制造商与电脑制造商、MEA公司和芯片制造商是一样的。”他说，“因此，当我们达到商业化生产规模时，燃料电池的发展将非常迅速。” (end)