農(nóng)業(yè)智能機器人中超薄金屬復合雙極板及燃料電池的研制

樊 昕 ，劉恒偉

（1.泰山科學技術(shù)研究院，山東 泰安 271000；2.泰安市化工專項行動辦，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)機械化是智慧經(jīng)濟形態(tài)在農(nóng)業(yè)中的具體表現(xiàn)，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)趕超戰(zhàn)略的重要途徑。農(nóng)業(yè)智能機器人是農(nóng)業(yè)機械化的先進代表之一，其充分應用現(xiàn)代信息技術(shù)成果，集成應用計算機與網(wǎng)絡技術(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，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可視化遠程診斷、遠程控制、災變預警及智能管理等功能，在農(nóng)業(yè)精細化作業(yè)、田間管理、植保無人機等方面可發(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、使用壽命長等特點的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）逐漸成為農(nóng)業(yè)機器人能源裝置的首選。

1 質(zhì)子交換膜燃料電池反應原理

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)子交換膜和多孔導電碳層組成?？梢l(fā)電化學反應的金屬鉑催化劑均勻分散地涂覆在膜與碳層界面上。電化學反應產(chǎn)生的電子由導電物體從膜兩極經(jīng)由外電路導出形成電回路。

燃料滲透通過多孔擴散材料后，在膜電極正極的催化劑表面反應，電子失去，轉(zhuǎn)為正離子。正離子經(jīng)由質(zhì)子交換膜到達膜電極的負極，在催化劑表面轉(zhuǎn)為負離子。負極的負離子與正極的正離子反應，形成反應產(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，通過電化學反應，氫在正極形成氫正離子。氫正離子在質(zhì)子交換膜作用下運行到負極。同時，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。

氧氣在負極催化劑表面形成負離子，正極運動來的氫正離子與之反應生成水。

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

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有導流槽，既是上個膜電極的正極導流槽，又是下一個膜電極的負極導流槽，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有氧化劑、燃料和冷卻液的進出口。氧化劑和燃料通過導流入口及導流通道引至正負極的導流槽中，冷卻液通過通道進入電池堆冷卻道中，中和氫氧反應產(chǎn)生的熱量并排走，電池堆排出氧化劑和燃料氣體，同時排出產(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、無人機、智能機器人等戶外作業(yè)機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，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，且承擔著均勻分配反應氣體、傳導電流、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、復合雙極板是常見的質(zhì)子交換膜燃料電池雙極板，而復合雙極板兼有碳材料板和金屬板的優(yōu)點，突出表現(xiàn)在強度高、質(zhì)量輕、阻氣效果好、導熱性強、抗腐蝕能力強、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實驗室正在開發(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)?；a(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；能對電流進行收集和傳導，要具備較高的導電率；氣體可以通過雙極板的流道均勻分散到極板的反應區(qū)參與反應；能夠盡快釋放反應產(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、金屬雙極板和復合雙極板。早期的雙極板多為石墨雙極板，可以經(jīng)過機械加工處理形成氣體流道，其低電阻和化學性質(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、抗壓強度小，加工難度大，極板做薄難度大，組裝復雜，制配的燃料電池功率密度小。石墨雙極板的主流供應商有美國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)強碳素材料、上海喜麗碳素等，正逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化。

金屬雙極板的選材多為鎳、鈦、鋁或不銹鋼，因金屬板具有較強的剛性和強度，電阻低，導熱性能好，機械加工簡單，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到了5kW/L。金屬雙極板主要供應商有瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國Treadstone等。

復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，缺點是制備方法繁瑣，導電性較差，機械性能不好，不易組裝等。兼有碳材料和金屬雙極板優(yōu)點的復合雙極板，顯著優(yōu)化了電池的體積功率，但是對于碳基復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行制備，脫模難度大，生產(chǎn)成本高。而且，此類碳基復合材料缺點是電阻大，增加了電池內(nèi)阻損耗，導致能量效率偏低。所以，制備復合雙極板重點在于降低其電阻。

4 金屬基復合雙極板的研制

4.1 金屬基復合雙極板的優(yōu)勢

復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，成為制作質(zhì)子交換膜燃料電池的首選。復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驗室集成了不銹鋼、聚碳酸酯塑料和多孔石墨的優(yōu)勢，以金屬箔為分隔板，以多孔石墨板為導流板，優(yōu)化了燃料電池的功率密度。

金屬基材料強度高、隔離效果好、接觸電阻低、加工難度低，在燃料電池中應用較廣。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，在電池正負極間可以較好地隔離反應氣體。因此，金屬基材料做雙極板可有效達到電池的預期目標。

4.2 金屬基復合雙極板制作過程

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、導電炭粉、中間相炭微球、復合石墨、碳纖維的導電充填物單材或混合物，加以酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、有機硅樹脂、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。

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、持久地適應商業(yè)化應用，還需要注意如下方面的改進：一是優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，使各元件有機適配發(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行模擬；三是加強對涂層的研究，滿足相關(guān)性能的要求；四是以農(nóng)業(yè)機器人的工作環(huán)境、狀況為變量，研究各相關(guān)因素間的耦合關(guān)系，對導電性和持久性進行建模，提升復合雙極板燃料電池的功效。

6 結(jié)束語

目前，新一代燃料電池設計更多地依賴于相關(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)多尺度復雜結(jié)構(gòu)與物理化學過程為此帶來了巨大挑戰(zhàn)。本研究通過對金屬復合雙極板進行優(yōu)化設計，進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)智能機器人應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。