电池组件范文

电池组件范文（精选9篇）

电池组件 第1篇

关键词：燃料电池,组件材料,市场,催化剂,极板和电极,电解质材料,膜材料

1 市场

据BCC公司于2011年7月6日发布的报告, 燃料电池材料质子交换膜 (PEM) 和膜电极组件 (MEA) 所用材料的市场, 复合年增长率为20.6%, 将从2010年3.83亿美元增长至2015年9.77亿美元, 见图1[1]。

全球质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 的MEA市场由四个部分组成:膜, 油墨和催化剂, 双极板/收集器, 以及气相扩散层 (GDL) 和碳。

BCC公司认为膜部分的市场假定复合年增长率为16.2%, 则从2010年2亿美元增长到2015年4.24亿美元。

油墨和催化剂部分的市场复合年增长率为28%, 将从2010年1.03亿美元增长到2015年3.54亿美元。

双极板/收集器部分的市场复合年增长率为21.1%, 将从2010年5000万美元增长到2015年1.30亿美元。

BCC公司预计, 气相扩散层 (GDL) 和碳部分的市场复合年增长率为18.1%, 将从2010年3000万美元增长到2015年6900万美元。

苏威公司宣布, 已在比利时安特卫普的SolVin公司装置中成功投用了1MW的产业化验证燃料电池, 这是世界上最大的燃料电池。该燃料电池在约800h操作中产生了超过500MWh的电力[2]。

2 催化剂

美国宾夕法尼亚大学的研究人员合成了锰铂 (Mn-Pt) 纳米立方块, 与其球形朴构型相比, 具有更好的电催化性能。图2示出Mn-Pt纳米立方块 (A) 的透射电镜 (TEM) 图像。含有锰和铂的合金PEM环境中可提供较廉价、有较高活性的催化剂[3]。

美国康奈尔 (Cornell) 大学已开发出新的高稳定性和耐CO的铂/钛钨氧化物阳极电催化剂, 可应用于PEM燃料电池。铂目前是被选用的催化剂。其他研究表明, 铂族金属氧化物, 特别是钨, 表现出有大的CO耐受性。但是, 钨的缺点是电子电导率低。为解决此问题, Hector Abru1a博士带领的康奈尔团队转向使用TiO2, TiO2被用在燃料电池中作为催化剂载体。与Pt/C和PtRu/C催化剂相比, 新的材料也表现出, 对于H2氧化仍有高的活性, 以及有较高的CO耐受性, 见图3。这一工作得到美国能源部和能源材料中心的支持[4]。

贵金属铂在驱动汽车燃料电池反应中起到重要作用。铂是电池技术中最昂贵的组分。美国能源部 (DOE) 布鲁克海文 (Brookhaven) 国家实验室的科学家宣布, 已经开发出一种新的电催化剂, 这种新的电催化剂使用铂的单一层, 并可最大限度地减少其磨损, 同时在测试过程中, 可保持高度的活性水平, 可以大大提高燃料电池汽车的实用性, 也可以用于改善其他金属催化剂的性能。新设计的催化剂是由单一的铂层包绕钯 (或钯-金合金) 纳米颗粒核心组成。它们的结构已由在布鲁克海文国家实验室的功能纳米材料研究中心和国家同步辐射光源中心进行了表征, 见图4[5]。

阻碍聚合物交换膜燃料电池 (PEMFCs) 广泛应用的最大因素之一是铂金属高的价格, 为使燃料电池中的还原-氧化化学加以催化, 需要铂金属。在推进减少铂含量的进程中, 美国佛罗里达州立大学的研究人员验证了聚合物交换膜燃料电池 (PEMFCs) 中由碳纳米管支撑的铂催化剂的有效性能, 其使用的铂金属比常规燃料电池要少一半。Jim Zheng及其合作伙伴开发了双层碳纳米管 (CNT) 和碳纤维膜, 用以支撑铂纳米颗粒作为催化剂材料。交叉织物型碳纳米管 (CNT) 形成了高度多孔和导电的三维网络, 在其上涂复以铂纳米颗粒。因为该纳米颗粒大多分布在膜的易接近的外表面上, 为此铂的利用率可超过90%, 而常规的燃料电池膜, 在该反应中该催化剂表面颗粒只有40%。佛罗里达州立大学的研究团队开发的聚合物交换膜燃料电池 (PEMFCs) 载铂量为0.2 mg/cm2, 而常规的燃料电池膜为0.45mg/cm2。该研究团队已从这种燃料电池产生电力输出达0.88 W/cm2, 接近于美国能源部设定的2015年目标1.0 W/cm2。

Ulster大学纳米技术学院的科学家与Peking大学和Oxford大学的合作者开发出由还原石墨氧化物/铂为载体的电催化剂 (Pt/RGO) (见图5X射线光谱) , 可望使制造的燃料电池更高效和更耐一氧化碳 (CO) 毒害[6]。

这种新的电催化剂的设计可望成为改进燃料电池耐用性和避免使用高价双金属或三金属系统, 与商业上以碳为载体的Pt电催化剂相比, Pt/RGO显示出极好的耐CO毒化性能, 有高的电化学活性表面以及对于甲醇氧化反应有高的催化活性, 验证表明, 上述性能分别提高110%、1345和60%。

将化学能直接转化为电能的燃料电池系通过电化学将燃料分解为氢, 或考虑使用甲醇作为驱动汽车和便携式设施有前途的燃料电池新方法。

迄今, 减少毒化的重要途径是将铂与其他高价金属如Ru、Pd或Au合金化。研究人员发现了一种很少昂贵的解决方亲。创建了能更耐CO的催化剂系统, 将铂的纳米结晶沉积在石墨氧化物的载体材料上, 并使它稍加还原以增加其导电性。研究人员使用了简单、可放大的和快速微波途径, 具有可还原石墨氧化物 (RGO) 和同时又能形成铂纳米颗粒的优点。为了测试Pt/RGO的活性, 研究团队观察了甲醇的氧化。研究表明, 新的材料显示出极好的耐CO毒化性征, 与商业上使用的碳载体Pt (Pt/C) 电催化剂相比, 具有更好的长期稳定性和较高的电催化活性。

氢燃料电池产生电流的同时只生成水, 非常环保, 但由于其产生电流的化学过程必须使用大量的催化剂, 因此氢燃料电池造价一直很高。德国柏林工业大学与美国科学家共同研发出一种新型铂合金, 以它作为催化剂可将氢燃料电池的成本降低80%。研究人员首先将铂与铜混合, 然后再从铂铜合金中分离出部分铜, 由此得到直径仅为几纳米的球状铂铜合金。这种球状铂铜合金的特点是, 内部是较廉价的铜, 铂原子主要分布在合金表面, 这极大减少了铂的使用量。同时, 由于合金表面铂原子的排列密度比普通铂要紧密得多, 这种新型催化剂的催化效果较好。

美国能源部西北太平洋国家实验室、普林斯顿大学以及华盛顿州立大学普尔曼分校的研究人员将石墨烯与金属氧化物纳米粒子混合, 研发出一种纳米粒子石墨烯复合燃料电池催化剂。该复合材料比单独使用的石墨烯以及常用的活性碳具有更优良的耐用性, 稳定性和耐腐蚀性[7]。

耶鲁大学工程与应用科学学院利用新型材料制成的纳米线, 研制出新型的燃料电池催化剂体系, 在持久性效能方面是当前技术的2.4倍。研究人员已测试了应用于乙醇燃料电池 (包括乙醇和甲醇作为燃料来源) 的催化剂系统, 未来还可用于其他类型的燃料电池, 如便携式电子设备、笔记本电脑、手机以及远程传感器等[8]。

美国已开发出无铂的燃料电池催化剂。该阴极催化剂基于碳, 部分由聚苯胺衍生, 并使用铁和钴金属替代对铂的依赖。研究人员发现, 含有该催化剂的燃料电池产生的电流可与含Pt的燃料电池相比拟, 并有助于提升重复充放电循环的效率[9]。

芬兰Aalto大学开发出一种能降低燃料电池制造成本的新方法, 通过采用原子层沉积 (ALD) 法制取纳米粒子催化剂, 使得燃料电池的阳极催化剂覆盖层可比以前薄得多, 催化剂需要量减少60%, 可以显著降低成本, 提高质量[10]。

美国罗格斯州立大学和比利时安特卫普大学的学者们发现, 常见的锂离子电池正极材料钴酸锂能够降低水分解所需的过电位并具有很高的工作电流密度, 加之储量大、易加工、稳定性好, 有望取代目前昂贵的贵金属氧化物IrO2和RuO2, 用作电解水和太阳能驱动燃料电池的工业催化剂[11]。

美国斯坦福大学由戴宏杰 (Hongjie Dai) 博士已经验证了“部分解压缩的”碳纳米管在酸性和碱性溶液中具有氧还原电催化剂的能力。这项工作成果可望成为应用于燃料电池和金属-空气电池使用铂的较低成本的替代品, 见图6。

斯坦福大学的研究也解决了有关发生氧反应的催化活性中心化学结构的长期科学争议问题[12]。

康奈尔大学能源材料中心 (EMC) 研究团队正在开发帯有富铂外壳的铂-钴纳米颗拉, 在燃料电池的应用中, 它对氧还原反应显示出改善的催化活性。大大提高活性和稳定性并降低成本。一类新的铂-钴纳米催化剂由有序的Pt 3Co金属间的内核与2-3个原子层厚度的铂金外壳组成, 与帶有无序的Pt 3Co合金纳米颗拉以及Pt/C相比, 表现出质量活性有超过200%的增长, 比活性有超过300%的增长[13]。

大连化物所实现室温条件下的分子氧高效活化, 从而高效去除燃料氢气中的微量CO (一氧化碳) 。该成果可应用于低温催化脱除CO和甲醇的选择氧化等反应, 促进石油和化工等行业的节能减排。

中科院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室博士邓德会、研究员潘秀莲、院士包信和等与洁净能源国家实验室燃料电池研究部合作, 首次完成用铁替代燃料电池催化剂中贵金属的实验。然而, 该类燃料电池需要大量的贵金属, 如铂、钯、钌等作为催化剂, 进而影响了其大规模应用[14]。

美国康涅狄格大学使用掺杂锡的氧化铟 (ITO) 纳米颗粒 (NPs) 新的催化材料可作为铂 (Pt) 纳米颗粒 (NPs) 高稳定性的非碳载体, 非常有前途可用于下一代质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 催化剂。图7示明对于Pt/ITO和Pt/C, 可逆氢电极 (RHE) 的质量活性和比活性[15]。

美国能源部 (DOE) 西北太平洋国家实验室 (PNNL) 已经开发出一种新的生物仿生催化剂, 这是将氢气直接用于发电的第一个铁基催化剂。该催化剂可望支持更实用的燃料电池的应用[16]。

3 极板和电极

美国Bac 2公司推出其改进型的ElectroPhen材料, 可应用于生产模塑的燃料电池双极板。称之为EP1109的新材料开发可用于直接甲醇燃料电池的操作中。在低温质子交换膜 (PEM) 燃料电池的测试中表明, 使用EP 1109可使单一电池有较高的输出电压, 并且可使稳态电池电压具有较长期地保持的特征[17]。

日本Toho Tenax公司是帝人集团从事碳纤维业务的主要公司, 该公司将使碳纤维织物制造的气体扩散层 (GDL) 推向商业化, 以用作燃料电池的电极组分。GDL是燃料电池电极的主要成分, 燃料电池供应氢气和氧气, 而收集产生的电子, 并藉助于膜排出产生的水。GDL必须能导电和渗透水。织物型GDL (图8-a) 与常用的纸型GDL相比, 有较好的柔性和强度, 纸型GDL由碳纤维板用树脂或其他材料浸渍 (图8-b) 而成。采用新的织物结构, 转绕加工可在高速下进行, 可减少使用成本。

合肥学院化学与材料工程系研究团队完成的“固体氧化物燃料电池密封材料及电池堆技术的研究”项目, 成功通过安徽省科技厅鉴定, 该技术可为新能源汽车等提供零污染的“燃料电池”。此成果在密封和连接板材料的成分设计上具有创新性, 材料与连接板有优异的热匹配性能, 并由上述材料构建的平板固体氧化物燃料电池堆可在热循环条件下运行发电, 在电池堆的制备技术方面处于国内先进水平[18]。

4 电解质材料

日本材料料学国家研究院成功开发2种类型新材料, 可满足固体氧化物燃料电池 (SOFC) 电解质所有的3种要求:高的离子传导性、化学稳定性和烧结性。图9为燃料电池测试情况。

SOFC的工作温度可降低至低于700℃, 这是这类设施广泛实用所必须的。被钇掺杂的钡锆酸盐 (BZY) 现已被考虑作为SOFC中常规使用的氧离子传导体电解质的替代品, 因为它在低温下拥有较高的质子传导性。采用这种电解质膜的燃料电池表明, 对于BZY-基电解质, 最大的燃料电池性能在600℃下可达0.169 W/cm2。采用这种方法制取的BZY膜表明有极好的化学品稳定性, 有潜力可长期使用。这2种材料有希望作为SOFC在中等温度范围内 (500~650℃) 工作的电解质材料, 可减少SOFC的组装和操作费用, 因而可加速推向商业化[19]。

5 膜材料

美国研究人员正在开发新的纳米膜反应器, 以应用于直接燃料电池的蒸气-甲烷/烃重整和水气变換反应。

燃料电池是目前很多专家认准的方向, 不少国际巨头也在该领域发力。由于启动快速、负载响应快, 质子交换膜燃料电池成为了燃料电池技术的代表, 其核心就是那一张膜。性能优异的原材料产业化是燃料电池产业化的关键。质子交换膜生产技术一直为美国和日本所垄断, 国内企业多采用美国杜邦公司产品。科研人员希望研究出增强、自增湿、在中温120℃左右工作的复合质子交换膜。

2010年以来, 山东东岳集团自主研发的燃料电池膜实现国产化, 打破了国外垄断, 同时其500t/a的燃料电池磺酸树脂离子膜装置建成投产;武汉理工大学承担的质子交换膜研究开发课题取得突破性进展, 采用独特制备工艺与树脂末端修饰技术, 使复合膜气体渗透性大大降低, 质子传导率和耐久性明显提高[20]。

参考文献

光伏电池组件专用材料成投资热点 第2篇

最常用的光伏电池的核心是多晶硅半导体，多晶硅中的硅对光十分敏感，电子游离因而产生电流。但是只有硅不能制造太阳能光伏板。为了保证能使用间，光伏板必须有其他材料保护它，从硅引出电流以及提供绝缘和机械强度。硅可产生电力，但电力成为工作电流需要其他的材料。

随着光伏电池应用的不断发展，光伏电池组件专用材料也不断推陈出新，许多化工公司纷纷进军这一市场。化工行业在光伏产业的发展中受益匪浅，乙烯醋酸乙烯酯（EVA）、聚氨酯（的20％～50％。

杜邦公司是行业之秀

在供应这些材料的化学公司中间，杜邦公司是行业之秀。杜邦有关的业务部如氟聚合物部和工业聚合物部都出售这些材料用于硅基光伏电池，己有约2004年杜邦组建了杜邦光伏解决方案（Solutions）公司来协调该公司太阳能发电产业有关活动。

杜邦公司麾下的杜邦光伏解决方案公司为光伏用途商业化生产非硅材料已有年历史，供应的产品包括用于耐候、电子模块保护用的特种膜以及导电糊剂和底板材料。公司业务涉及光伏模块生产中所用的提供最宽范围的非硅基材料。近期计划将在此行业投资约一系列用于光伏板耐候保护用的各种聚合物树脂。

杜邦公司用于太阳能市场关键的材料之一是这些树脂可由用户挤压成薄膜，用于封装置于平整玻璃外壳内的硅晶片。光学透明度，能与玻璃和硅的折射指数相匹配，因而可降低反射。它也与电池内的组件固定在一起，为光伏板提供物理强度。

3PU）、塑料、黏合剂等化学品，约占整个光伏板材料成本 2%~3%采用太阳能电池，其规模就不容小觑。Photovoltaic

8种材料。公司称，可为光伏制造行业 Elvax乙烯

25年时30年历史。20余1亿美元。产品范围包括-醋酸乙烯（EVA）树脂。EVA有倍。另一方面，市场规模扩增最具潜力的是大陆 中国可再生能源学会光电专业委员会于2009年7月底组织召开“光伏组件用高性能EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）胶膜”评审会。经讨论认定，由温州瑞阳光伏材料有限公司和杜邦公司合作研制的“瑞福REVAX”EVA胶膜项目开发成功，产品性能达到国际先进水平，特别是耐老化性能方面取得重大突破，居世界领先水平，满足光伏组件使用寿命需求。完全可替代进口EVA胶膜，实现了高性能EVA胶膜的国产化。作为太阳能光伏组件中关键原材料之一，EVA封装胶膜的性能在此起着决定性的作用。经过3年潜心研发，瑞阳公司最终成功研制出耐老化性能优良的EVA封装胶膜，经国内权威质量检测机构检验，“瑞福REVAX”EVA胶膜经1000小时紫外老化试验后透光率的保持率超过99%，黄变指数小于2，解决了国内高性能EVA封装胶膜常年依赖进口的局面。据了解，从2007年起，我国光伏组件产量居世界第一位。根据相关机构测算，到2020年，光伏组件年产量将达到42GW。需要高性能EVA封装胶膜60000万平方米，胶膜产值将达到150亿元。但目前高性能EVA封装胶膜还严重依赖国外进口产品，严重制约我国光伏产业发展。为满足太阳能光伏产业的快速发展，瑞阳将与杜邦公司合作，在浙江温州建设高性能EVA胶膜产业化基地，为中国光伏企业提供快速的本地化服务。

杜邦公司用于光伏技术的另一项重要产品是Tedla品牌聚乙烯氟化物薄膜，该薄膜可与聚酯薄膜共挤压，应用于基于硅的光伏电池底部作为底板，提供电气绝缘和保护使之不被大气侵蚀。

2006年8月，杜邦公司投资5000万美元扩大在Fayetteville的Tedla聚乙烯氟化物薄膜产能。该公司产品也用于航天、建筑和石墨艺术品，其年增长率为30%。这项扩建是杜邦公司投资光伏领域1亿美元中最大的一项。

杜邦光伏氟材料公司（PVFM）于2008年8月4日宣布，与日本从事印刷业的Toppan公司签署技术转让合同，将使杜邦公司新的太阳能光伏（PV）模块用的底板推向商业化生产。与Toppan公司签署的这项技术合同，将大大提高杜邦Tedla聚乙烯氟化物薄膜和底板在快速增长的PV市场上的应用。这一合作使杜邦公司应用于底板上的Tedla聚乙烯氟化物薄膜专有技术与Toppan公司独特的涂复能力结合在一起。

杜邦公司于2008年9月初宣布，为快速增长的光伏市场扩大Tedla聚乙烯氟化物薄膜产能，扩能于2009年底完成，从而使Tedla聚乙烯氟化物薄膜全球生产能力翻一倍以上，这是杜邦公司迄今在Tedla薄膜生产中最大的投资。

杜邦公司于2009年8月21日宣布，又投资1.2亿美元用于增产光伏底板关键组分Tedlar聚乙烯氟化物（PVF）薄膜生产所使用的单体和树脂，将增加产能超过50%。这项投资包括用于美国肯塔基州Louisville新建的单体装置和北卡罗林那州Fayetteville的树脂装置。这二个生产基地已在建设之中，于2010年中期投产。杜邦公司电子和通信技术部表示，此次扩能是Tedlar聚乙烯氟化物（PVF）薄膜业务增长的重要步骤，并可长期保持本公司在太阳能板底板生产中的市场领先地位。杜邦公司在纽约州Buffalo、新泽西州Parlin、爱荷华州Fort Madison和宾夕法尼亚州Towanda也生产Tedlar聚乙烯氟化物（PVF）薄膜。

此前，杜邦微电路材料公司（MCM）已推出杜邦Solamet PV159薄膜金属化处理糊剂，应用于光伏太阳能电池前端金属化处理。据称，Solamet PV159薄膜金属化处理糊剂可使带有浅层射极的晶片效率提高0.5%，对许多其他晶片/射极类型也有很大改进。杜邦Solamet金属化处理材料列入PV工业标准已有多年，可使用户减少成本、提高效率和提高产品竞争力。

杜邦微电路材料公司于2009年3月4日宣布使其在英国Bristol的Solamet品牌厚膜金属处理糊剂产品产能翻番，以适应光伏太阳能的长期发展前景。厚膜金属化处理糊剂有助于制造商提高太阳能电池效率。

杜邦公司于光伏解决方案业务产品涉及与结晶硅和薄膜太阳能光伏（包括薄膜、树脂、密封层、柔性基层和传导性糊状物。为了支撑印度的太阳能市场，杜邦公司于实验室将为杜邦在太阳能工业中的客户提供技术和研究设施的支持。杜邦公司预计在今后5年内，其在光伏工业的几条产品生产线的销售额将会超过

杜邦公司光伏产品中另一项重要产品是其与硅晶片相连，可传导由电池产生的电子。这些糊剂线条必须拉制得成薄型，约100 μm宽，目标是使这些线条缩小到

为满足迅速增长的光电太阳能市场的需求，杜邦公司于将扩大位于中国广东省东莞市的东莞杜邦电子材料有限公司商品名为膜导电浆料产能。据介绍，杜邦的面的金属镀膜，可显著提升电池效能，提高产品产率，降低材料消耗，从而使太阳能电池生产商能够大幅降低成本。在亚洲扩产资，将有助于杜邦跟上全球太阳能行业发展的脚步。杜邦称，随着太阳能市场的迅速发展，公司计划使光电材料业务销售额增长的产能扩大到两倍以上。换句话说，就是在未来额将从现在的约将以30%材料的需求上升。杜邦电子技术公司副总裁兼总经理蒂莫西＆目前，在全球范围内，光电业正处在一个稳步飙升时期，因为太阳能作为一种可再生能源，其需求将持续增长。在此背景下，将扩大足不断增长的需求。通过产能的扩大，将加快创新产品向实际应用的转化，从而进一步降低光电系统的成本，延长使用周期并提高太阳能组件的性能。作为光电行业领先的全球材料供应商，杜邦将通过科学研究使人类对可再生能源的利用更为方便。

通过投资光伏材料、技术开发和制造，使杜邦公司将提升其在提高光伏模块效率方面的创新能力。杜邦公司电子和通信技术部副总裁2008年92010年在3亿美元增长至 9日宣布在印度发展其杜邦光伏解决方案产品业务。杜邦PV）模块相关的产品。Hyderabad的杜邦知识中心建立光伏（PV）实验室。该10亿美元。Solamet银导电性糊剂。这种糊剂线条75 ?μm。2008年6月10日宣布，Solamet的厚Solamet厚膜导电浆料主要用于太阳能电池前后Solame厚膜导电浆料是一项重大投3倍以上，为此必须使Solamet浆料5年内，杜邦的光电材料业务销售10亿多美元。杜邦预计，未来数年光电市场规模#8226;麦凯恩表示：Solamet产品的生产规模，以满David B.月以上的年均速度增长，这将推动对于能源转换效率更高的现有材料和新 Miller在2009年3月中旬召开的第七届全球清洁技术会议上表示，光伏技术现处于发展中的幼年时期，这一市场的发展机遇之路是宽阔的。杜邦公司在传统晶硅光伏和新出现的薄膜光伏行业正在占领未来发展的先进技术高地，并且正在投资扩展生产能力，以满足快速增长的全球需求。

杜邦公司2009年7月1日宣布，将与美国能源部（DOE）合作实施总投资达900万美元的太阳能研发项目。其中，杜邦投资资金600万美元，美国能源部提供300万美元资金。这一为期3年的合作项目旨在加速一种比人类毛发还要细3000倍以上的超薄保护膜的商业化进程。这种超薄薄膜能够防潮——这是长期以来该应用市场面临的一大挑战，从而保护薄膜太阳能光电模块性能下降。薄膜光电面板可由柔性塑料片替代玻璃制成，因此可以弯曲也可以缠绕，易于在屋顶、窗户或商业及家用住宅建筑一侧安装。据预测，薄膜光电模块将是太阳能电池工业中发展最快的一个领域，因为其具有发电成本进一步下降的潜力，从而提升了太阳能的竞争力。

薄膜太阳能光电模块

杜邦公司预计，本材料正在驱动需求。截至据PV工业行家估计，PV产品开发和扩能方面作出重大投资，其在光伏模块制造方面领先的品牌包括杜邦Tedlar聚乙烯基氟化物（需求的增长。

杜邦公司表示，预计其应用于光伏工业的产品销售额到元。杜邦公司已开始与美国能源部合作，加快实现超薄保护膜的商业化生产，这种超薄保护膜可持久地应用于柔性光伏模块。

除了杜邦公司是光伏行业宽范围材料的供应商外，道康宁公司通过其导体公司与信越生产商。道康宁公司为光伏行业提供宽范围的辅助材料，包括基于硅的封装料、光电池和基片涂料，以及密封接合盒与光伏座。

道康宁公司不断推出新产品 道康宁公司推出光伏模块制造新材料。道康宁公司旗下的太阳能解决方案集团推出一款密封剂和两款封装剂，已在太阳能光伏（道康宁? PV 6010电池密封剂在光伏（和剥离保护。道康宁 7020封装剂设计用于 PV市场在今后几年内将以两位数速率增长，现有的和新的更低成2009年3PV市场将增长到PVF）和杜邦Handotai公司和三菱材料公司的合资企业，也成为多晶硅重要的

PV）太阳能电池表面形成一保护性薄层，提供腐蚀? PV 7010 和PV

PV电池的电器接合箱隔离。PV市场年规模约为2013年700亿美元。Solamet厚膜导电浆料，扩能增产满足了

PV 30020082012年将会超过 10亿美Hemlock半月，亿美元，并且，年，杜邦公司在）电池应用中试用和验证。道康宁公司宣布，验证了提高太阳能板生产效率的制造工艺，该工艺特征是采用了新开发的有机硅材料，这种材料可大大提高太阳能板生产效率、有效地降低太阳能发电的成本。据称，这一技术揭示了太阳能工业又向前推进了一步，并有助于使太阳能发电成为全球可持续利用的能源方案。该制造工艺与新开发的道康宁PV-6100系列密封剂结合应用，该密封剂可为电池板上每一块太阳能电池提供清洁的薄层保护，并可替代常用的乙烯乙烯基醋酸酯树脂。这种基于有机硅的材料可提供较高的发电效率、延长模块使用寿命和优化对紫外光的阻抗。新工艺所用设备需投资很少，且占据空间小。这一工艺过程和系列密封剂已在道康宁公司的美国密歇根州Freeland新的太阳能应用中心被太阳能合作伙伴选用，于广应用。

道康宁公司于2009年9月10日宣布，为顺应太阳能光伏工业的特定需求，而拓展开发新材料业务，为太阳能光伏（PV-8303超快速固化密封剂和道康宁组件。

道康宁PV-8030粘合剂应用时推荐在室温下固化，可用于与典型的结构性结合。道康宁PV-8303超快速固化密封剂也在室温下固化，可用于与金属、玻璃和塑料底板进行粘接。

该公司也开发了道康宁PV-7030保护剂，特定的设计应用可为光伏组件提供保护，有很好的防火性，以及极好的组件电绝缘性，在宽温度范围内具有稳定性和柔性。

该公司还商业化推出太阳能电池新的封装技术，可提高电池性能，并可有效地降低发出每千瓦小时太阳能电力的成本。道康宁机硅分子对紫外光的稳定性，与叠置复盖的有机物相比，可提高耐用性和改进结晶模块的效率。用道康宁PV-6100封装剂系列产品封装的太阳能电池模块通过“C”级防火试验和工程评价，符合国际电工技术委员会（其他公司也占一席之地

其他一些材料公司也在封装市场上占有一席之地。日本三井化学公司在日本名古屋建设工厂，生产能力为4000吨/年用。2005年普利斯通公司也扩建了在日本磐田的12000吨/年。

拜耳材料科技公司于2008年6月中旬宣布，研发人员开发成功的一种耐光热塑性聚氨酯，为太阳能电池的生产提供了新的解决方案。通过和德国一家公司合作，拜耳材料科技公司利用这种聚氨酯制成一种商品名为2009年中期商业化推PV）工业推出了新粘合剂和密封剂：道康宁PV-8030粘合剂，应用于粘合和密封光伏模块PV-6100封装剂系列产品依赖于有IEC）标准要求。EVA薄膜，足以可供570MWEVA薄膜工厂，使产能达到了VISTASOLAR的新型薄膜，将

PV底板进行UL 的光伏电池使其用作太阳能电池原料替代传统的EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）薄膜，不仅使太阳能电池的生产更为方便和快捷，也大大提高了太阳能电池的发电效率。在生产太阳能电池时，一般是将硅片置于玻璃和用EVA薄膜包覆的基材之间，然后将它们一起放在真空层合机内在145℃下交联12～20分钟，EVA变硬从而成为透明层。但这种方法存在一些不足，如由于交联需要一定时间完成而限制了太阳能电池的生产效率，另外太阳能电池的维修也不方便。而耐光聚氨酯薄膜具有很好的透明性，透光性好，熔点高，在制作太阳能电池时不必进行交联，可加快太阳能电池的生产过程，减少生产周期，同时还能提高了太阳能电池的发电效率和利用率。这种耐光聚氨酯薄膜还具有很多其他的优点。例如可以更方便地更换有瑕疵或坏掉的组件，而以前遇到这样的问题不管是修复还是再生产都需要花很长时间，这是因为热塑性聚氨酯可重新熔融，使其内部昂贵的太阳能电池可再次使用。另外，存储也更加简单，因为这种薄膜比与加有交联剂进行交联过的 法国材料生产商阿科玛公司Tedla聚乙烯氟化物薄膜相似。该公司该项业务的年增长率为

阿科玛公司2009于光伏太阳能面板。这款新产品的牌号为烯酯。是专为薄膜或晶硅等密封包装材料设计，可用来生产太阳电池板。Evatane33-45PV具有很好的光学性能及良好的透光性，同时有很好的交联能力及加工性能。

霍尼韦尔公司宣布，该公司开发出能够在恶劣环境下保护光伏的新型材料。新产品名为霍尼韦尔 PV325，能在潮湿等各种环境中保护主要部件。该产品不仅抗紫外线、防潮、耐风化，还能承受工作电压高达 伏的组件所产生的电力负载。霍尼韦尔刚性 PV 组件则专用于向公共设施或当地电网供电。这种组件的使用寿命通常为 年，可在公共设施断电期间充当可靠电源，并能弥补高峰期的电力需求和相关成本。独立性能测试的初步结果表明，这种材料可以满足求。

这种阻隔材料能在用了霍尼韦尔的高性能阻隔薄膜技术。霍尼韦尔 采用五层设计，包括两个基于乙烯护层、一个聚对苯二甲酸乙二醇酯 中间层，以及两个专有粘合材料构成的内粘合层。氟乙烯背板材料的替代产品。

霍尼韦尔电子材料公司于发电效率的新材料。这种新材料称之为霍尼韦尔过覆盖PV板的玻璃可提高光线透射比，从而可提高涂层也大大减小了来自玻璃的眩射，使EVA薄膜更结实。

(Arkema)供应其Kynar聚偏氟二烯薄膜，其性质与30%。1月宣布推出新级别乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)，特别设计用Evatane33-45PV，含有18-42%的乙酸乙(PV)太阳能电池PowerShield＆#8482;

PV 组件，包括组件中将光能转化为电能的 1,000 PowerShield 主要为刚性 PV 组件开发，而 25

PV 组件生产商的苛刻要2008年年底前通过业内的性能标准认证。这种白色反光材料采PowerShield

-三氟氯乙烯(ECTFE)含氟聚合物薄膜的外保(PET)

它为 PV 组件生产商提供了聚 2009年9月22日宣布，推出提高太阳能光伏（PV）板SOLARC，为透明涂层材料，通PV模块效率和发电量。这种PV板可较好地与其周围环境相融合。霍尼年韦尔SOLARC已经验证，与当今商业上使用的任何抗反射涂料相比，具有最高的效率。绝大多数商业上应用的PV板，因来自覆盖玻璃上表面的光反射，而造成其潜在的发电量损失约4%。除了降低发电量外，来自反射光的眩射在美学观点上看也是欠缺的，尤其在住宅屋顶设置应用中。SOLARC涂层可大大减小反射，使到达太阳能电池的光线更多，从而可发出更多电力。霍尼韦尔SOLARC为液相涂层，可用于所有常用类型的PV模块。对屋顶设置应用效益尤佳，因应用空间受限，效率提高则颇为关键。这种涂层可采用许多涂复工艺，包括采用喷涂、滚涂等涂复方式。与其他常用的涂复方式不同，使用霍尼韦尔SOLARC无需在沉积前将两种组分相混合，搁置时间可达6个月以上。验证表明，采用550纳米尺寸的霍尼韦尔SOLARC可提高光电转换效率4%，它对宽的太阳能光谱均有很好的适应性，应用于PV电池的霍尼韦尔SOLARC尺寸可从350纳米~1100纳米。验证也表明，霍尼韦尔SOLARC涂层在宽范围的加速试验中，有优异的耐用性，可在苛刻的环境条件下应用。另外，霍尼韦尔SOLARC涂层的环境试验表明，它可为玻璃提供附加保护，尤其可应用在会使玻璃逐步变质的湿热条件下。该涂展已进一步优化具有抗污和自清洗性能，可防灰尘积聚。据美国加州能源委员会提供的数据，由于颗粒沾污，太阳能板发电效率损失平均达7%。

美国加利福尼亚州的BioSolar公司2007年9月中旬宣布，成功推出其低成本的生物塑料底板太阳能电池，由可再生植物资源生产的生物塑料材料可降低太阳能电池的成本。BioSolar公司的技术团队通过研发生产的生物塑料薄膜可替代现用太阳能模块底板。该底板可用作太阳能电池或太阳能电池模块的底层，支撑太阳能电池的排布和其不同的层面。用于太阳能电池需有耐候性，并符合严格的加工和设置要求。在过去，常规的生物塑料不能很好地用于太阳能电池，主要由于其熔融温度低，分子结构使其呈脆性。BioSolar公司开发了一种制造工艺，可使产品成本大大低于石油基的底板。据称，可将其开发的生物塑料替代太阳能电池应用中所有的石油基塑料。光伏模块使用这种薄膜现己完成试验，可確保该薄膜能满足长期使用要求。试验包括由Underwriters实验室规定的45天的温度和湿度试验。

美国BioSolar公司于2008年11月中旬宣布采用植物来源制造的生物基材料可用于生产太阳能模块底板。BioSolar公司发布了这项应用专利，这种材料采用棉花籽和蓖麻籽来生产，称之为BioBacksheet。BioBacksheet是一种防护用覆盖材料，传统的是由石油基薄膜来生产。

德国Q-Cells公司和Singulus技术公司开发薄膜太阳能电池防反射的涂料新系统。将Q-Cells公司的太阳能使用经验与Singulus技术公司的涂料技术相结合达到了这一目标，从而为太阳能电池的高效应用开发了有良好质量和价廉的特种涂料。该技术可提高太阳能电池的产能，技术基于生产DVD时使用的真空涂复工艺。Cells公司是在其现有的和新的生产线采用新系统的第一家公司。

美国Konarka技术公司从事电力塑料开发，电力塑料材料可将光线转化为能量。该公司于2008年9月24日宣布，取得对光有化学反应的聚合物新家族称之为聚咔唑（PCZ）的技术转让。这类聚合物可帮助该公司通过电力塑料和其他产品来提高

Q-转换效率。这种新家族聚合物由Laval大学微分子科学和工程研究中心与加拿大魁北克功能材料中心(CQMF)的 Mario Leclerc教授开发。Konarka技术公司与Laval大学已进行了为期4年的合作。新的聚合物家族将有助于光伏模块使光转换为电能提高效率。Konarka技术公司将加速其电力塑料的开发、生产和推向商业化，预计采用这一技术将有助于该公司保持在有机光伏领域的领先地位。

瓦克集团公司针对太阳能发电工业的需求，2009年7月初成功推出名为ELASTOSIL Solar的新型有机硅产品系列。此类产品具有良好的耐候、耐辐射和耐温度变化等特性，特别适用于粘结、密封、胶合和封装太阳能电池模块及其电子部件。新产品主要包括可紫外线活化的专用有机硅弹性体 Solar 2120 UV以及新型高透明可浇注用硅橡胶 UV这种可紫外线活化的有机硅弹性体在室温下，不需要再提供任何热能就可以硫化。与传统的热交联系统相比，该弹性体的交联时间很短，且交联速度可以根据用户要求调节。另外，因该材料不含光引发剂，在材料中既不残留离子也不残留自由基分解产物。利用这种材料使制作太阳能模块过程变得高效和可靠，如把太阳能电池固定到载体上，粘结玻璃盖和框架或者安装接线盒及其绝缘。此外，该材料还特别适用于封装接线盒。3210产品具有硫化速度快、无收缩、容易从模具中取出等特性，主要用于高聚光太阳能电池发电系统。这类模块安装有专门透镜，把自然光收集并聚焦到高效率电池上。而理想材料。

瓦克化学公司于2009年7月开发了一种商标为块使用的新型热塑性封装材料。这种以有机硅为基础的弹性塑料薄膜能够在加热情况下改变形状，加工便捷。由于具有特殊的整体性能，该薄膜明显优于市场通常使用的封装材料。TECTOSIL能够有效保护敏感的太阳能电池长期不受机械和化学负荷的影响，同时由于没有腐蚀性，适合所有类型的模块。据介绍，种柔韧、高透明的电气绝缘薄膜，其材料是有机硅和有机物的共聚物。由于它具有热塑性，不需要硬化和化学反应，对贴膜过程来说，意味着工作周期短，对贴膜机中局部出现的温差不敏感，不但能降低生产成本，而且保证了每一模块都有相同的质量，节省加工时间。

瓦克化学公司坚定发展与太阳能光伏产业相关的产品，于现有的有机硅产品生产线进一步扩能，以满足太阳能工业的需求。以 Solar品牌销售的几种等级的有机硅产品，具有耐气候风化、耐辐射和耐热性征，理想的应用于光伏模块及其电子部件的粘接、密封、层压和封装。据称，其新的有机硅产品在光伏模块生产中有高效而可靠的性能，它们包括可支持太阳能电池的结构、粘接玻璃和框架组件，并可使电子接线盒达到绝缘效果。凭借其低弹性模量，ELASTOSIL? Solar有机硅产品也可减少部件的热机械应力。封装在可防潮和防腐。

ELASTOSIL

ELASTOSIL Solar 3210。2120 3210有机硅橡胶则是生产光学透镜和模制件的TECTOSIL的生产太阳能电池模TECTOSIL是一2009年10月底已使其ELASTOSIL? ELASTOSIL?中的电器元件

质子交换膜燃料电池膜电极组件评述 第3篇

关键词：燃料电池,质子交换膜,催化剂层,气体扩散层,膜电极组件

0 引言

质子交换膜燃料电池 (Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC) 是一种不需要燃烧的、直接将化学能转化为电能的发电装置。它具有高效、环保、发电功率高、无污染、启动快、低辐射、低排放和无噪音等一系列优点, 目前已经广泛应用于手机、汽车、发电站等多个领域。20世纪60年代, 德国率先将质子交换膜燃料电池作为辅助电源, 应用在航天飞机上。

单个PEMFC一般由1个膜电极组件 (Membrane electrode assembly, MEA) 、2个密封条、2个双极板组成。MEA是PEMFC的核心部件, 它主要由质子交换膜、催化剂层、气体扩散层 (Gas diffusion layer, GDL) 3个部分组成[1], 所以又被称为膜电极三合一组件。其中, 质子交换膜起到了传递质子、分隔燃料和氧化剂的双重作用, 两侧的催化剂层是燃料和氧化剂进行电化学反应的场所, 而GDL则起到了传输燃料、氧化剂、反应产生的水以及支撑和保护催化剂层等作用。

MEA的制备工艺在发展过程中主要存在两种典型的模式:第一种是以碳纤维 (碳纸或者碳布) 为基底, 将催化剂层添加到基底上, 制备成GDL电极, 然后将2个气体扩散电极 (阴、阳极) 置于经过处理的质子交换膜两侧, 在一定条件下热压形成MEA;第二种是以质子交换膜为基底, 通过滚压、喷涂、印刷等方式将催化剂层添加到基底的两侧, 制备成膜电极, 然后将2个GDL置于膜电极两侧热压成MEA。

MEA的结构和性能直接影响着PEMFC的工作效率、工作条件和使用寿命, 但是, 将MEA作为一个整体来研究时, 不易发现MEA三个组成部分对MEA性能的直接影响。因此, 各国科学家分别围绕质子交换膜、催化剂层、GDL对MEA性能的影响进行了大量的研究。本文将从质子交换膜材料、催化剂层的制备、GDL的发展3方面综述MEA的研究进展。

1 质子交换膜材料的发展

作为质子交换膜的材料必须满足以下几个条件: (1) 高质子传导率; (2) 高阻醇率 (当甲醇作为燃料时) ; (3) 良好的热稳定性、机械稳定性和化学稳定性; (4) 低气体透过率; (5) 成本低。目前研制的质子交换膜材料主要有以下4种类型。

1.1 全氟磺酸膜

目前, 商业化的全氟磺酸膜主要有Nafion膜、Aciplex系列膜、Flemion系列膜和Dow膜, 其中应用最广泛的膜就是Nafion膜。Nafion膜分子结构[2]主要由3个部分组成: (1) 一个类似Teflon的主链结构; (2) 侧链-O-CF2-CF-O-CF2-CF2-; (3) 带有-SO3-基团的全氟乙烯基醚。其中, 主链上的氟原子紧紧包裹着碳原子, 使其在反应过程中不易被氧化, 从而使全氟磺酸膜具有良好的热稳定性和化学稳定性。此外, 全氟磺酸膜在工作温度范围内电导率较高, 可达到0.12Scm-1。然而, 全氟磺酸膜强烈依赖于水作为其传导质子的介质, 当电池工作温度超过80℃时, 膜会因为水分的缺失而出现电导率急剧降低的现象;当温度继续升高到140℃时, 全氟磺酸膜会发生分解, 从而严重影响电池的性能。因此, 电池的工作温度被限制在80℃以下, 但是在这个温度下工作, 催化剂又容易被CO等燃料中所含的杂质所毒化。另外, Nafion膜的价格比较昂贵, 达到了500~600$/m2。以上这些因素都限制了全氟磺酸膜的广泛应用。

1.2 非氟化膜

非氟化膜实质上是磺化芳香族碳氢化合物膜。目前, 研究的比较多的非氟化膜材料包括[3,4,5,6]:磺化聚醚酮 (sPEK) , 磺化聚酰亚胺 (sPI) , 磺化聚醚醚酮 (sPEEK) , 磺化聚苯并咪唑 (sPBI) , 磺化聚醚砜 (sPES) , 磺化聚苯基喹喔啉 (sPPQ) , 磺化聚磷腈 (sPPZ) 。它们不仅成本低, 而且对环境的污染较小, 是质子交换膜发展的一大趋势。它们与Nafion之间的差距主要在于微观结构和磺酸基团的酸性强度。相较于Nafion, sPEK的水通道窄、支链多、磺酸基团的间距大[7,8], 使sPEK的质子传导能力略低于Nafion。此外, 非氟化膜也依赖于水来传导质子, 这也限制了其进一步的发展。

1.3 固体酸膜

固体酸的通式[9,10,11,12]为MH (AO4) 和M3H (AO4) 2 (M=Cs, NH4, Rb;A=S, Se) 。在80~230℃范围内, 固体酸会发生相变 (超质子转变) , 它们的质子电导率会提高2~3个数量级, 可达到10-1Scm-1。鉴于固体酸的这种特性, 它们有望被用于中温区 (100~200℃) 质子交换膜燃料电池。

最早将固体酸应用于质子交换膜的是Haile[13], 他用CsHSO4制备了质子交换膜, 并将其组装成H2/O2燃料电池, 当电池的工作温度为150~160℃时, 电池的电压可以达到1.11V, 电流密度为44mA/cm2, 而且膜的性能不受环境湿度的影响。Boysen等[14]将CsHSO4和PVDF混合, 并在170℃下进行热压, 得到CsHSO4-PVDF复合膜。虽然, 其低温电导率超过了纯CsHSO4膜, 但是, 复合膜的高温超质子电导率却低于纯CsHSO4膜, 而且, 在高温下条件下工作会造成PVDF的流失。Bondarenko等[15]将SiO2纳米颗粒均匀分散在KH (PO3H) 中制备得到了新型复合膜, 并制备成了电池, 开路电压可达到0.8V。此外, SiO2颗粒使得膜的力学性能得到了提升。Ponomareva等[16,17]还研究了TiO2和SiO2粉末对CsHSO4电导率的影响。结果发现, 当氧化物的含量大于50%时, 复合膜的低温电导率可比纯CsHSO4膜高2~3个数量级。但是, 加工固体酸质子交换膜在技术方面还存在很大的障碍: (1) 若加工的膜太厚, 则内阻大, 但是薄的膜在使用过程中容易透水, 从而影响电池的性能; (2) 单纯的固体酸膜脆性太大[18], 力学性能差, 使用寿命短; (3) 固体酸易溶于水[19], 虽然它可在高于100℃的温度范围工作, 避免了催化剂被毒化, 但是如果无法设计出一个好的水管理系统, 依然无法延长膜的使用寿命。

1.4 有机-无机复合膜

有机-无机复合膜[20]是对无机成分和有机聚合物组成的质子交换膜的一种统称。由此可见, 这类复合膜不是单纯地由一种无机材料或者有机聚合物制备而成, 而是同时混合至少一种无机物和一种有机物的复合膜。其中, 有机物和无机物可以完全互溶, 也可以互不相溶。这类复合膜的性能不仅取决于有机物和无机物之间的宏观比例及本身性能, 还取决于膜的微观结构, 如有机颗粒与无机颗粒的分散性、颗粒尺寸、膜的厚度、膜表面的孔隙度等。

科学家研究这类膜主要是为了最大程度地利用有机聚合物与无机物各自的优点, 来弥补它们各自的不足。其中, 无机物主要为以下几类[7]: (1) 吸湿性氧化物如 (SiO2) n、ZrO2、TiO2、Al2O3; (2) 浓盐酸、浓硫酸、浓磷酸等无机酸; (3) 沸石; (4) 黏土; (5) 由钨、钼、钒和氧化铀组成的多金属氧酸盐; (6) 固体酸; (7) 磷酸锆; (8) 磷酸锡盐、磷酸硼盐、磷酸氢钙和磷酸锑酸等磷酸盐。有机聚合物有: (1) 聚偏氟乙烯 (PVDF) [14]; (2) 聚丙烯腈[21]; (3) 全氟磺酸膜材料[22,23,24]和非氟化膜材料[2527]。有机-无机复合主要具有以下优点: (1) 吸湿性材料增强了膜的吸湿能力、低温电导率; (2) 膜的甲醇透过率低; (3) 膜的机械强度高, 热稳定好; (4) 固体酸提高膜的高温电导率。但是, 目前制备复合膜的工艺十分不完善, 有机聚合物和无机组分分散的均匀性不高, 影响了膜的结构和性能, 使制得的膜无法达到预期要求。因此, 只有不断改进复合膜的制备工艺, 才有望实现复合膜的商业化要求。

综上所述, 各类质子交换膜在提升了一些方面的性能之后, 却遗留下来了另外一些不足。目前为止, 还没有一种材料能够完全满足质子交换膜的商业化要求。

2 催化剂层的制备

PEMFC最常用的催化剂为金属铂 (Pt) 。最早的催化剂层是将铂黑和聚四氟乙烯 (PTFE) 颗粒混合后, 直接热压在质子交换膜上, Pt的载量高达10 mg/cm2, 而且Pt利用率低。到了20世纪80年代中期, 催化剂中Pt载量降到了4mg/cm2。PTFE基底法和薄层电极法的出现, 进一步降低了Pt的载量。此外, 新兴的真空沉积法和电沉积法也改进了催化剂层的结构, 提高了Pt的利用率。当电池的燃料中含有CO时, 研究者常常在催化剂层中加入其他金属 (如钌) 制备成合金, 以减少催化剂被CO毒化。虽然催化剂金属种类对电池的性能起到了一定的影响, 但是它无法从根本上改进催化剂层的总体结构和性能。下面将从催化剂层制备方法的角度, 来介绍催化剂层的研究进展。

2.1 传统制备法

传统的制备催化剂层的方法主要是PTFE基底法和薄层电极法。PTFE基底法是较早发展起来的制备催化剂层的方法。这种方法是先将催化剂添加到PTFE中, 然后再涂覆到碳纸上。这种方法使PEMFC中的催化剂载量从原来的4mg/cm2降低到了0.4mg/cm2[28]。但是, PTFE基底法制备的催化剂层中的Pt利用率大约只有20%[29,30]。Lee等[31]通过向催化剂层中添加Nafion来弥补这一不足, 发现不同氧化剂下添加的Nafion量也不同, 而且过量的Nafion会阻塞复合材料的孔隙, 从而影响催化剂层内的物质传输, 使电池的性能降低。Apichai等[32]的研究发现, 当催化剂层中的PTFE含量为10%时, 电池的性能提高了34%, 且催化剂载量降低到了0.25mg/cm2。

薄层电极法主要是用Nafion替代了PTFE。Wilson[33]记录薄层电极法制备催化剂层的过程。他用Nafion替代了PTFE, 从而使催化剂层与质子交换膜的接触更加紧密。同时, Nafion代替PTFE后, 催化剂层的活化面积从22%增加到了45.4%[30]。但是, 当Nafion载量超过2.2 mg/cm2时[34,35,36,37], 电池的性能就会下降, 这是因为过量的Nafion增长了质子传输的通道, 影响了电池的性能。Chao等[38]对薄层电极法进行了改进, 将多孔γ-Al2O3添加到催化剂层中, 以提高催化剂层的含水量。他发现, 当γ-Al2O3含量为10%时, 电池的性能最佳。Song等[39]还通过转印法改进了薄层电极法, 极大程度地提升了电极的物质传输能力。

Fischer等[40]研究了薄层电极法制备的催化剂层中的孔隙度对电池性能的影响, 发现孔隙度对电池性能的影响主要在于氧化剂的种类:当氧气作为氧化剂时, 孔隙度对电池性能的影响不大;但是, 当空气作为氧化剂时, 孔隙度对电池性能的影响却很大, 此时的氧气的含量限制了反应速度。

2.2 真空沉积法

普通的真空沉积法包括化学气相沉积、物理气相沉积以及真空溅射。研究者们一般使用真空溅射法来制备催化剂层, 因为它比其他几种沉积法更易得到致密的催化剂层。催化剂层的溅射过程主要包括: (1) 真空蒸发涂层材料 (催化剂) ; (2) 将涂层材料沉积到目标基底 (质子交换膜或者碳纸) 上, 得到一个薄的、致密的催化剂层。溅射得到的催化剂层与质子交换膜的接触非常紧密, 因此, 催化剂层中可以不用添加Nafion液[41]。此外, 真空溅射法可以有效地减小催化剂的载量 (可降至0.014mg/cm2) 以及催化剂的颗粒尺寸 (小于10nm) 。

科学家们还发现, 溅射法得到的催化剂层的厚度对电池性能影响非常大。O′Hayre等[42]在Nafion-117膜上溅射了不同厚度 (1~1000nm) 的催化剂层。经测试发现, 当催化剂层的厚度为5~10nm时, 电池性能达到最佳状态。而且, 此时Pt的载量仅为0.01~0.02 mg/cm2。当催化剂层小于5nm时, 质子交换膜上的各个局部催化剂颗粒无法形成连接, 从而影响了电池的性能;当催化剂层大于10nm时, 气体传输的距离变大且受到了阻碍, 因此也影响了电池的性能。

Cha和Lee对溅射法进行了改良[41]。他们分4次将催化剂溅射到质子交换膜上, 厚度为5nm, 并在相邻两层催化剂层之间添加了m (Nafion) ∶m (C) =1∶1的混合溶液。如果溅射同样厚度的催化剂层, 用多层溅射法得到的电池性能要明显优于单层溅射的效果, 而且与传统MEA相比, 多层溅射所需的催化剂载量也仅为传统MEA的1/10 (0.043mg/cm2) 。Natarajan等[43]通过交替溅射法改进了传统的溅射法, 发现交替溅射可以提高催化剂层的孔隙度, 从而增大催化剂层的物质传输能力。

然而, 在溅射过程中, 溅射层的厚度不易控制[41], 工艺较复杂, 而且溅射成本较大, 目前只能用于实验室研究, 还无法进行商业化生产。

2.3 电沉积法

Vilambi Reddy等[44]最早使用了电沉积法制备催化剂层。他通过一个商用的电镀槽, 将很少量的Pt电沉积到碳基底上。这种方法可以将Pt载量减少到0.05mg/cm2, 而且性能可达到PTFE基底法制备的催化剂层 (Pt载量为0.5mg/cm2) 的效果。

Choi等[45]进一步研究了电沉积法过程中各项工艺参数对催化剂层性能的影响。他们发现, 当电沉积过程的工作参数为50mA/cm2、25%的占空比、2.5 Hz时, 电池的功率密度可以达到最大值276mW/cm2。

电沉积法主要使用含有Pt离子的溶液, 使用完的废液会对环境造成严重的污染, 而且, 电沉积法所消耗的时间较长。因此, 要想使用电沉积法来大量制备PEMFC的催化剂层, 必须先做好废液的回收, 并进一步改进工艺。

2.4 催化剂载体的影响

催化剂金属最常用的载体就是碳粉。Paganin等[35,36]发现当Pt/C的质量比超出40%时, 催化剂的活化面积就会下降, 将严重影响电池的性能。Qi等[46]使用了能够同时传导质子和电子的聚吡咯与聚磺苯乙烯混合物作为催化剂载体, 以期减少催化剂层中Nafion的用量。虽然, 这种燃料电池的最大电流密度仅为100mA/cm2, 但是从成本上考虑, 它还是有客观上的价值。

3 GDL的发展

MEA组件中, GDL在发展过程中出现过两种结构, 较早出现的是石墨化的碳纸或碳布。后来随着技术的改进, 研究者在碳纸或者碳布上制造了一层微孔层, 来提高催化剂的利用率。目前, 商业化的PEMFC一般使用的都是后一种。GDL的厚度主要在100~300μm之间。在MEA中, GDL起到了很多作用: (1) 传导双极板与催化剂层之间的电子; (2) 作为催化剂层的基底; (3) 排除MEA内部的液态水; (4) 传输反应物和生成物。因此, GDL材料要满足: (1) 高的电导率; (2) 良好的力学性能; (3) 良好的热传导和抗腐蚀能力; (4) 高的孔隙率。当PEMFC工作时, MEA中会产生水, 若气体扩散层中的液态水含量过高时, 反应气体就无法传输到催化剂层, 从而影响电池的性能。研究者常常将PTFE添加到气体扩散层中, 以起到憎水作用, 最佳的PTFE含量为15%。过量的PTFE会减少气体扩散层的孔隙度, 从而影响反应气体的传输;此外, PTFE无法传导电子, 过量的PTFE会增大电池的内阻。

3.1 微孔层的影响

微多孔层的引入是GDL结构上的一大突破。它处于碳纸/碳布 (支撑层) 和催化剂层之间。在制备催化剂层之前, 将PTFE和碳粉混合物添加到支撑层上, 制备成一层微孔层。微孔层填充了支撑层的缝隙, 避免了催化剂进入支撑层缝隙造成浪费, 同时增加了支撑层与催化剂层之间的连接, 降低了接触电阻。

Tsai等[47]发现微孔层中PTFE含量为30% (质量分数) 时, 电池的性能达到最佳状态, 此时, 电池的电流密度为955mA/cm2、电池的电压为0.6V。Passalacqua等[48]的实验证明, 微孔层使MEA的性能在相同Pt载量下得到明显提高。Wu等[49]还发现, 微孔层的存在虽然会降低GDL的水含量饱和度, 但是降低的程度只与微孔层中水的存在条件有关。

3.2 其他影响因素

Yuasa等[50]研究了气体扩散层中碳粉种类对电池性能的影响, 发现在催化剂层和气体扩散层中添加Ketjen Black碳粉和Vulcan XC-72R碳粉可以极大程度地提高催化剂层的氧化还原活性。Paganin等[35]发现气体扩散层的厚度也对电池的性能有很大的影响, 当厚度为35~50μm时, 电池的功率密度随厚度的增加而增加;当厚度大于60μm时, 电池的性能却随着厚度的增加而下降。Chun等[51]还研究了GDL中孔隙尺寸对电池性能的影响, 发现GDL中的孔隙尺寸与干燥的温度成正比, 高温下, GDL中为1000~20000nm的大孔;低温下, GDL中为100nm的微孔。当测试的环境湿度较低时, 大孔的GDL性能优于微孔GDL;但是当湿度较高时, 微孔GDL却表现出更优异的性能。

4 结语

目前, 使用的几种质子交换膜都有各自的优缺点。全氟磺酸膜和非氟化膜虽然电导率高, 但是工作温度范围小, 价格昂贵。固体酸虽然可以提高燃料电池的工作温度范围, 却难以制备加工, 水溶性差。复合膜能是最近新兴的一种质子交换膜, 它能够发挥不同成分的优势, 其力学性能和热稳定性好、甲醇透过率低、低温和高温电导率有所提高, 但是复合膜在制备工艺方面的不足阻碍了它的商业化。

制备催化剂层的几种方法中, 比较常用的是薄层电极法, 因为它工艺简单, 而且性能较好。PTFE基底法虽然容易操作, 但是对Pt的利用率太低, 需要通过添加适量的Nafion来改善电池的性能。真空沉积法和电沉积法虽然可以提高Pt利用率和电池的性能, 但工艺复杂且制备成本较高, 此外, 电沉积法会对环境造成严重污染, 目前还无法投入商业化生产。

电池组件 第4篇

二次公示材料

根据《环境影响评价公众参与暂行办法》(环发2006[28]号)的要求，现对本项目进行公众参与进行二次公示，公示材料如下：

（一）建设项目情况简述

项目名称：苏州固锝电子股份有限公司电镀厂搬迁项目 建设地点：苏州高新区通安镇苏锡路以东、同心路以北 建设性质：搬迁

建设规模：项目占地10000平方米，绿化面积3000平方米，年产桥堆、MB镀锡41500百万件、轴角型二极管镀锡5000百万件、SMA、TO220镀锡2000百万件、UP镀锡2000百万件

工程投资：总投资4000万元，环保投资400万元 劳动定员：劳动定员约为120人

生产工况：年工作天数为250天，实行三班制，每班8小时，每天工作24小时 厂内生活配套：新建高档办公大楼，底层为餐厅（仅供用餐，以送外卖解决）

（二）建设项目对环境可能造成影响的概述

大气：本项目排放的大气污染物为硫酸雾，可能会对周边的大气环境造成影响；

水环境：本项目废水主要包括生产废水（含电镀预处理阶段废水、电镀阶段含Sn废水）和生活污水两部分，排放总量约为28000m3/d。含电镀预处理阶段废水（酸碱废水）通过本项目自建的污水处理系统中和处理后达到接管标准后，排入市政污水管网；电镀阶段含Sn废水通过本项目自建的污水处理系统物理化学处理及混凝沉淀，再通过活性炭吸附处理方法达到接管标准后，与电镀预处理阶段废水、生活污水一并排入市政污水管网，入苏州新区第五污水处理厂处理，最终排入浒光运河。一般不会对水环境产生影响；

噪声：由于本项目主要为电子电镀行业，可能会对周围的环境造成影响。固废：经妥善处理后零排放。

（三）预防或者减轻不良环境影响的对策和措施的要点

（1）水污染防治措施 含电镀预处理阶段废水（酸碱废水）通过本项目自建的污水处理系统中和处理后达到接管标准后，排入市政污水管网。

含Sn废水通过本项目自建的污水处理系统物理化学处理及混凝沉淀，再通过活性炭吸附处理方法达到接管标准。

（2）大气防治措施

本项目酸雾废气通过净化装置净化，经过吸收后废气的处理效率可以达到95%，尾气能达到标准。

（3）噪声污染防治措施

本项目在生产过程中使用的噪声源大的设备，主要有通冷冻机、风机、空调、酸雾净化装置等。本项目在设备选择上优先考虑选择低噪设备，对所用的高噪设备进行防震基础和减震措施，车间采用吸声材料，厂区加强绿化，重点在动力设备上进行了降噪隔声处理。

（4）固体废弃物污染防治措施

项目产生的固体废弃物主要种类有电镀缸脚液、剩余污泥等，以及生活垃圾。生产废物委托有资质单位处理，生活垃圾当地环卫部门收集处理。

（四）环境影响报告书提出的环境影响评价结论的要点

（1）符合国家的产业政策

本项目不违背国家产业政策，符合（《产业结构调整指导目录(2005年本)》、《江苏省工商领域鼓励投资的导向目录》）要求，同时不属于《苏州市当前限制和禁止发展产业导向目录》(苏州市人民政府,苏府[2004]123号文)中列出的禁止发展项目。

（2）项目选址符合当地总体规划和用地要求

本项目符合《苏州高新区总体规划》产业定位，并充分利用区内现有供电、水处理及固废处理设施，符合新区总体规划和用地要求。

（3）排污总量符合总量控制要求

本项目的特征污染因子硫酸雾的排放量较小。该总量指标可直接向苏州市环保局申请；

本项目水污染物排放总量将纳入污水处理厂的总量控制指标中。

工业固体废弃物无排放。

（4）项目生产符合清洁生产要求 本项目机械加工工艺先进性主要体现在生产设备选型上，和传统工艺相比，本项目主要生产设备具有节能、低污染物、低噪、自动化程度高、加工精度高、生产效率高、采用技术先进等优点。

清洁水循环使用，达到节水要求，也符合循环经济要求。

电机变频驱动。通过改变电机的速度来减少空气、主清洁器、RO供应泵等的能量消耗。

高效光源使用。在需要强光源的地方使用高效率的KrF灯，取代普通的汞灯和钨灯，节省能源。

（5）各项环保措施能保证污染物的达标排放

①水污染防治措施

本项目不同的废水在生产车间内按照清污分流、异质分流的原则，把含Sn废水、酸性等废水分开并通过各自不同的处理系统进行预处理。生活污水，经预处理达标后，排入市政污水管网，排放苏州新区第五污水处理厂集中处理，达标排放至浒光运河。为确保废水的收集和处理正常运行，在车间设有中央控制室和自控设备，对整个废水的输送和处理进行自动控制，在废水接管排口和清下水排口设置在线流量计和COD监测仪，以确保废水归类处理和达标排放。

②大气防治措施

本项目的废气经过处理可以实现达标排放。

③噪声污染防治措施

本扩建项目主要噪声源都安置在室内进行隔声降噪，空调排风风机均加装消声器，噪声对厂界的影响贡献很小，且本项目位于工业区，周围无居民点，无扰民噪声源，不需强制安装环境保护图形标志牌。

④固体废弃物污染防治措施

项目产生的固体废弃物主要种类有电镀缸脚液、剩余污泥等，以及生活垃圾。生产废物委托有资质单位处理，生活垃圾当地环卫部门收集处理。

（6）环境质量现状评价结论

①大气环境：各监测点SO2、NO2、TSP的日平均浓度和硫酸雾小时浓度均无超标现象，污染指数均小于1，项目建设所地环境质量状况良好。当地大气环境质量良好 ,符合功能区划二类区要求。

②水环境：由于目前苏州新区第五污水处理厂，企业、居民等生产、生活等污水未经有效处理进入运河引起，引起水体的富营养化，这是造成NH3-N、TP、石油类全部超标，DO、BOD5一次超标的主要原因。

③噪声环境：各测点噪声满足《城市区域环境噪声标准》（GB3096-93）的3类标准要求。

（7）项目实施后不降低当地的环境功能要求

①大气环境

正常气象条件下评价区最大小时平均浓度预测结果显示，本项目对环境空气中的硫酸雾最大小时浓度均能达标，增量很小。

在小风时（1.0m/s），本项目对环境空气中的硫酸雾最大小时浓度均能达标，增量很小。

评价区内由于本项目硫酸雾最大日均浓度均能达标，增量很小。

对各主要保护目标典型日均浓度和年均浓度贡献值很小。

本项目一旦发生工艺废气事故排放，各污染物最大地面一次浓度均未超标，但都明显高于正常排放的浓度的一个数量级。

在叠加已批未建项目污染源情况下，正常气象条件、小风气象条件下，污染物最大小时浓度均能达标，对各主要保护目标典型日均浓度和年均浓度贡献值很小。

本评价建议本项目卫生防护距离为50m。

评价结果表明，本项目建设投产后，废气净化装置正常运行时，排放的大气污染物对周围环境影响很小，不会造成周围区域的空气环境质量下降。

②水环境：本项目废水主要包括生产废水（含电镀预处理阶段废水、电镀阶段含Sn废水）和生活污水两部分，生产废水排放总量为28000m3/d。含电镀预处理阶段废水（酸碱废水）通过本项目自建的污水处理系统中和处理后达到接管标准后，排入市政污水管网；电镀阶段含Sn废水通过本项目自建的污水处理系统物理化学处理及混凝沉淀，再通过活性炭吸附处理方法达到接管标准后，与电镀预处理阶段废水、生活污水一并排入市政污水管网，入苏州新区第五污水处理厂处理，最终排入浒光运河。

③噪声：根据噪声预测结果分析，项目建成后，各测点在昼间均能达标排放。④固体废物：项目产生的固体废弃物主要种类有电镀缸脚液、剩余污泥等，以及生活垃圾。生产废物委托有资质单位处理，生活垃圾当地环卫部门收集处理。

（8）结论

综上所述，本项目选址符合地方规划，产品和生产工艺为国家非限制、禁止行业，符合国家产业政策要求；项目生产采取先进设备和先进生产技术，做到节能降耗，可符合清洁生产要求；项目产生的废气、废水、噪声、固废（液）经过合理有效的处理措施，做到达标排放，排放总量可以在苏州市高新区范围内平衡；项目拟建地大气、噪声环境质量现状良好，地表水氨氮、TP、石油类等指标虽有超标情况，全厂其废水总排量小于搬迁前环评的批复量，可实现增产不增污，地表水水质不会下降，本项目不会降低当地的环境功能要求。因此从环境保护的角度来看，在落实环评提出相关措施的情况下，本扩建项目建设是可行。

（五）公众查阅环境影响报告书简本的方式和期限，以及公众认为必要时向建设单位或者其委托的环境影响评价机构索取补充信息的方式和期限

公众在本项目公示期间，如果需要对本项目有任何不清楚的地方可以通过E-mail的方式获得有关项目的进一步信息。具体联系方式：sailing80@163.com。

（六）征求公众意见的范围和主要事项

本次公众参与调查的范围为：无锡新区。

本次公众参与调查的主要事项如下：

（1）请公众提供个人准确信息主要包括：姓名、职业、文化程度、家庭住址及联系电话；

（2）根据您掌握的情况，认为该项目对环境质量造成的危害/影响方面及程度；

（3）您对该项目环保方面有何建议和要求；

（4）您对环保部门审批该项目有何建议和要求；

（5）从环保角度出发，您对该项目持何种态度，并简要说明原因。

（七）征求公众意见的具体形式

公众可以通过以下三种方式提供意见：

（1）通过E-mail方式（qusheng@yx-land.com）

（2）直接打电话的方式（0512-68055192）

（3）写信的方式（苏州高新区滨河路1156号金狮大厦01-B，215011）

（八）公众提出意见的起止时间

公众参与起止时间为：自从本项目公示之日起10天内

电池组件 第5篇

1 EVA的特性及对EVA的选择

晶体硅太阳能电池片是光伏电池组件的主要光电转换部件。为了对在户外自然条件下使用的电池片, 需要对其进行保护性封装。目前, 太阳能电池一般采用EVA (乙烯-醋酸乙烯共聚物) -玻璃作封装材料。如图1所示。

晶体硅太阳电池封装成组件后, 由于接触电阻、太阳光穿透玻璃、EVA产生的能量损失等原因, 导致其实际功率一般小于电池片理论功率, 称之为封装损失 (powerloss) 。

选用优质的EVA基料对提高胶膜透光率甚为重要, 其胶膜经加热封装后, 变得完全透明, 它和玻璃粘合后能提高玻璃的透光率, 起着增透的作用, 并对太阳电池组件功率输出有增益作用。普通的EVA中通常会添加紫外吸收剂, 通常是芳族化合物, 以减太阳光中的紫外线对电池片和背板的伤害。但也因此占太阳能量约6%的紫外线, 不能够被太阳能电池吸收, 降低了电池组件的转化效率。而一种在EVA配方中引入铕 (Eu) 元素EVA胶膜, 可在保护EVA的同时增加紫外线的透光率, 进而提高电池组件的转化效率。如图2所示, 无截止EVA在360nm以下紫外波段透光率明显高于紫外截止EVA。

2 实验部分

紫外线长期照射背板, 可使背板黄变、龟裂, 从而损害组件的使用寿命及输出功率。如何即利用太阳光中的此外线发电, 又能阻挡此外线对背板的损害, 是我们实验时需要考虑的因素。因此实验中我们选择有截止EVA靠近背板敷设, 而靠近玻璃一侧一组样品组件选择无截止EVA敷设 (无截止+有截止) , 而另一组样品组件选择有截止EVA敷设 (有截止+有截止) 。实验验证这两种不同紫外截止EVA对组件功率的影响。

试验选用单晶N型电池。试验前用同一台设备集中对电池进行分选, 选取效率一致电池用于试验 (电池片转换效率为19.6%) 。试验用到的其他材料选择相同厂家、规格及批次材料;在组件制作时, 焊接、敷设、层压等设备均选择相同机台及工艺。组件功率测试时, 选择同一台测试仪同一时间段对两种组件样品测试。上述实验安排, 排除设备、工艺及材料差异导致组件功率变化。实验使用有截止EVA和无截止EVA分别制作10块组件, 用于功率测试数据分析。

3 实验结果及讨论

根据收集的实验样品组件的功率测试数据, 对无截止EVA和有截止EVA对组件功率影响分析如表1所示 (测试条件:AM1.5、1000W/m2、25℃) :

通过实验数据可以看出:无截止EVA组件与有截止EVA组件相比, 平均最大输出功率高2.1084W。实验中无截止EVA组件功率损失为2.92%、有截止EVA组件功率损失为3.67%。无截止EVA的使用, 降低了组件0.75%的封装损失。无截止EVA制作的组件有效利用了太阳光中紫外部分能量, 从而达到了提高组件输出功率、降低组件封装损失的目的。

按上述方法制作的组件顺利通过了TUV老化实验, 说明在组件封装时采用“无截止+有截止”方式使用EVA, 可以在保证组件使用质量情况下降低组件封装损失。

4 结论

1) 通过实验数据可以看出, 无紫外截止EVA可以提高电池组件对太阳光中紫外部分光线的利用率, 进而降低组件的封装损失、提高组件的输出功率。2) 通过实验数据证明, 采用“无截止+有截止”方式使用EVA制作的组件比传统“有截止+有截止”方式制作的组件, 功率损失可以降低0.75%左右。3) 由于选用的无截止EVA中添加特殊元素, 因此紫外线对无截止EVA本身损伤显著降低。而实验中靠近背板一侧的EVA仍采用紫外截止EVA, 保证了组件背板不会因此而产生黄变等质量问题。

综上所述, 无截止EVA可以显著降低组件的封装损失, 而且实际生产、应用也是切实可行的。

参考文献

[1]余谟鑫, 戴子林, 陈少纯, 李桂英.太阳能电池封装技术.材料研究与应用, 2010.

[2]刘耀华, 周志英, 郑红亚, 潘锐.太阳电池封装材料 (EVA) 简介.中国建设动态 (阳光能源) , 2007.

电池组件 第6篇

1 测试原理

将4块同样的光伏电池组件(每块由36块单晶硅光伏电池单体串联而成,10cm2)并联后接入可调电阻,再串联电流表、并联电压表,在温度250℃、湿度30%的环境下,分别测试光照强度为21W/m2、11W/m2、6W/m2三种情况下负载发生变化时其两端的电压电流值。测试原理如图1所示,测试结果如表1、表2、表3所示。

2 基于MATLAB的数据分析

将3种条件下多次测量后取平均的三组电压、电流测试数据,利用MATLAB6.5版本进行数据分析和其功率曲线的拟合,得仿真后图形如图2所示。

三组曲线的拟合多项式分别为:

三组参数模型的拟合优度为:

SSE即和方差,该值越接近于0,说明模型选择和拟合程度越好,数据预测也越成功;R-square的正常取值范围为[0,1],越接近于1,表明方程的变量对y的解释能力越强;模型对数据拟合也越好;RMSE是回归系统的拟合标准差,该值越小,说明系统误差越小。因此,本次拟合的三组功率曲线是可靠的。

综上所述,在相同环境因素下,随着光照强度的减弱,光伏电池组件的输出功率曲线与其输出电压的关系式是逐渐降次的,同时输出功率也随之减小。

3 应用

由于目前光伏电池的光电转换效率比较低,为了有效利用光伏电池,很多设计师会选择对光伏电池组件(或阵列)进行最大功率点的跟踪(MPPT),使其在功率最大时对蓄电池进行有效充电。由图2可见,随着光照强度的减弱,光伏电池组件输出功率的最大功率点也随之向左向下偏移。Pm1点上电压为18V,功率为3.86W,根据欧姆定律,可求得此时电路所接负载阻值约为83.9Ω。同理,Pm2点上负载约为113.2Ω,Pm3点上负载约为164.8Ω,所以,在同样环境因素下,当光照强度减弱时,需适当增大光伏电池组件所带负载(可调电阻)的阻值,以获得最大功率点功率,对蓄电池有效充电。

摘要：在恒温、恒湿等环境因素不变的情况下,改变光伏电池组件所受光照强度,对光伏电池组件的功率点进行跟踪测试,并对测试的数据MATLAB仿真,从而得出光照变化的情况下,最大功率点的变化规律。

关键词：MATLAB,曲线拟合,MPPT

参考文献

[1]赵争鸣,等.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[M].北京:电子工业出版社,2012[1]赵争鸣,等.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[M].北京:电子工业出版社,2012

电池组件 第7篇

1 蓄电池设计方法

设计太阳能蓄电池的思想是太阳的照度低于平均值时, 保证负载能够正常工作。假设蓄电池开始工作前是充满电的, 光照度小于平均值时, 太阳电池产生的电能这时不能完全填补负载实时从蓄电池中消耗的能量, 这样蓄电池就会一直处于为未充满状态。如果这样的状态一直维持, 会导致蓄电池的蓄电电荷持续下降。为了避免对蓄电池造成损坏, 蓄电池的放电过程应该有时间的限制, 避开蓄电池的危险值。为了评估这种太阳光照较低的情况, 进行蓄电池的设计时, 应该引入一个重要参数:自给天数, 即蓄电池在没有任何补给能源情况下, 负载在此蓄电池的供给下能够正常工作的天数。根据此参数使设计者能够选择所需蓄电池容量的大小。

自给天数的多少与两个因素有较大的关系:负载要求电源的程度;安装地点的光伏系统气象条件, 即可能的最多阴雨天数。对电源要求不太严格的光伏系统, 设计时通常取3~5d自给天数。对于电源要求要求严格的负载系统, 设计中常取7~14d自给天数。

蓄电池的设计主要指蓄电池容量的计算, 以及蓄电池组是否采用串并联。下面给出蓄电池容量计算的基本方法。

基本公式:

下面蓄电池串并联情况。负载的标称电压必须与蓄电池的标称电压配合, 为了满足需求, 要求进行串并联的选择, 如串联蓄电池个数的计算如下:

为了说明公式的应用, 使用小型交流光伏系统为范例。设光伏系统负载的耗电量10k Wh/d, 如果该系统中, 选择逆变器效率为90%, 并且输入电压设为24V, 那么可得所需的直流负载需求为 (10000Wh0.924V=462.96Ah) , 那么每天需要462.96Ah/d。假如使用者根据天气情况可以灵活调整用电。选择自给天数5d, 使用电池为深循环, 放电深度设为80%, 那么

蓄电池容量=5d462.96Ah/0.8=2893.51Ah

单体蓄电池选用3V/ (400Ah) , 需要串联的电池个数为:

串联蓄电池数=24V/3V=8 (个)

选择并联的蓄电池个数为:

并联蓄电池数=2893.51/400=7.23

下面例子纯直流系统:假定某乡村小屋为光伏供电的系统。并前小屋只在周末使用, 这样就可以使用浅循环蓄电池降低其成本。设小屋负载为90Ah/d, 为24V的系统电压。选择2d的自给天数, 蓄电池最大放电深度可以达到50%, 那么

蓄电池容量=2d (90Ah/d) /0.5=360Ah

如果选用蓄电池12V/100Ah, 那么需蓄电池个数为2串联4并联=8个。

2 蓄电池基本公式的设计修正

上面的分析是对蓄电池容量基本的估算方法, 实际使用时, 会有很多参数会对蓄电池的容量及寿命产生影响。为了获得的准确的蓄电池容量的设计, 基本方程必须进行修正。

蓄电池的容量并不是定值, 两个重要因素与其的容量有很大的影响:蓄电池的放电率及其环境温度。

1) 首先考虑放电率对其容量的影响。放电率的改变时蓄电池的容量也会改变, 当放电率的降低时, 蓄电池的容量就会相应增大。这样会对蓄电池容量的设计产生较大影响。蓄电池容量设计时应选择恰当的放电率。通常, 生产厂家一般提供蓄电池容量为10h放电率下容量。但系统中, 蓄电池储存的能量主要供给的是负载需要自给天数, 放电率通常较慢, 在设计时需考虑平均放电率。平均放电率的公式如下:

上式对于单个负载的光电系统满足;对于有多个负载的光电系统, 负载使用加权平均时间, 计算方法如下:

根据上面两式可以计算不同放电速率下的蓄电池容量, 可以对蓄电池的容量加以修正。

2) 分析温度对蓄电池容量造成的影响。蓄电池容量跟随温度的变化而改变, 当温度下降低时, 其容量会下降。一般铅酸蓄电池在25℃时是标定的。0℃时会降为额定容量的90%, 在-20℃的时候, 下降到额定容量的80%左右, 所以必须考虑环境温度对容量的影响。

生产商会提供蓄电池相关的温度-容量修正曲线。此曲线上就可查取到对应温度的修正系数, 可以修正初步计算结果。

3) 完整的蓄电池容量设计计算。考虑到以上所有的计算修正因子, 可以得到如下蓄电池的最终计算式。

1) 放电深度的最大允许值。一般浅循环的最大放电深度一般为50%, 深循环的一般为80%。如果考虑低温防冻的问题, 就必须修正。设计时适当减小此值, 以扩大其的容量, 并延长使用寿命。这样不仅可以提高蓄电池使用寿命, 同时也减小系统的维护费用, 并对系统初始成本不会有太大的影响, 根据实际情况可进行灵活处理;

2) 温度的修正系数。随着温度的降低, 蓄电池容量会不断减少。温度修正系数的作用就是保证安装的蓄电池容量要大于按照25℃标准情况算出来的容量值, 使得设计的容量能满足用电需求;

3) 指定放电率。指定放电率主要是考虑慢放电率将会从需要更多的容量。如果在没有容量-放电速率的资料, 可粗略的估计, 在慢放电率 (C/100到C/300) 时, 容量要比标准多装30%;

4) 蓄电池组的串并联设计。当计算出蓄电池的容量, 下一步最主要就是选择多少个单体蓄电池, 以及如何进行串并联。

采用两组并联模式, 就可以对该组蓄电池断进行维修, 如果一组蓄电池出现故障, 而另外一组正常蓄电池, 虽然电流有所下降, 但系统还能保持在标称电压正常工作, 总之, 蓄电池组的并联设计需要考虑不同的实际情况, 根据不同的需要进行不同的选择。

3 结论

本设计用电路原理实现对蓄电池的充放电, 同时考虑防过充电、防欠电充以及防反充电等一系列对蓄电池的保护电路。研究的意义在于对蓄电池的保护, 防止蓄电池过充过放, 使蓄电池在正常工作区工作, 延长蓄电池的寿命, 降低蓄电控制系统的成本。控制系统的研究主要是对控制器的研究, 它对蓄电池的放电条件加以规定和控制, 并按照负载的电量需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出。系统在指标上能够达到预先期望的性能指标要求, 在控制特性方面均能达到要求, 其系统实现方案是切实可行的。

参考文献

[1]王长贵, 王思成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社, 2005.

[2]沈辉, 曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社, 2005.

[3]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[4]冯育长.单片机系统设计与实例分析[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2007.

[5]刘和平.单片机程序设计及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.

[6]康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[7]往常贵.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社, 2005.

[8]王新贤.通用集成电路速查手册[M].济南:山东科技出版社, 2002.

[9]冯垛生.太阳能发电原理与应用[M].北京:人民邮政出版社, 2007.

[10]张兴.太阳能光伏网并网发电技术[M].北京:机械工业出版社, 2011.

电池组件 第8篇

太阳能光伏电池组件是太阳能光伏发电站的核心部件，由于太阳能光伏电池组件往往是安装在室外的，其工作状况的监控和维护十分不便，因此，现代太阳能光伏电池组件越来越多采用电子信息技术实现有线或无线远程监控，使得太阳能光伏电池组件的运行管理更加便捷高效，本文所涉及到的就是一种基于ZigBee芯片CC2403为核心的远程无线监控系统，由于太阳能光伏电池组件生产的特殊要求，远程数据采集传送电路系统一是电路板体积要尽可能小，二是不能用干电池供电，这就要求电路尽可能简单，便于安装，供电简单而可靠。然而由于太阳能光伏电池组件输出直流电压一天中变化太大[1,2]，一般的稳压电路不能满足要求，若用多级稳压模块级联，则电源电路的效率低，稳压模块能耗大、发热明显，若用独立的DC/DC模块，一是会增加电路板的体积，二是会增加谐波干扰，三是相对成本要高一些，鉴于以上情况，设计一款稳定供电电路就尤为重要了，本文充分利用太阳能光伏电池组件ZigBee芯片CC2430的资源，配合以RC延时电路，VMOS管调整电路和AMS1117稳压芯片，较好的解决了3.3 V供电电源的问题，同时又不会对CC2430芯片完成对光伏组件监控任务的主要功能产生明显的影响。

1 系统设计

本文所研究的系统由两个部分组成，即硬件部分和软件部分。

1.1 系统硬件设计

1.1.1 CC2430芯片简介

CC2430采用0.18μm CMOS工艺生产，芯片工作时电流为27 mA，芯片在接收和发射模式下，电流消耗分别低于27 mA和25 mA，是一款低耗能的集成电路芯片[3]。

CC2430芯片上集成了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器，它使用一个8位的MCU(8051)，具有128 KB可编程闪存和8 KB内存RAM，还包含有A/D转换器、定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O端口[3]，可以说功能十分强大。CC2430结构框图如图1所示。

1.1.2 电路系统结构及工作原理

从图2可以看出，供电电路主要由无线单片机CC2430、光电耦合器、VMOS开关管、电阻R1,R2构成的电压取样电路、电阻R3和电容C1组成的延时电路、3.3 V稳压模块等组成。

由太阳能电池相关资料并通过实验发现，一个额定输出电压为24 V的太阳能电池，输出电压与太阳辐照能量紧密相关，最低时可接近零伏输出，最高时可超过[1,2]24 V，若将多组电池串联，则电池组总输出电压的变化之大可想而知。AMS1117稳压模块的最大输入电压只有15 V，不能承受15 V以上太阳能电池的直接馈电，为了确保电路工作安全正常，在本电路系统设计中用VMOS管T1来调节过高的直流电压，保证AMS1117稳压模块的输入电压能在允许的范围内变化，确保AMS1117稳压模块的工作安全可靠。该电路系统高效工作的关键就在于VMOS管T1必须工作于开关状态，同时尽可能降低AMS1117稳压模块的输入电压，以降低整个电源电路的直流功耗，提高电路工作效率，降低电路的发热。由图2可以看出，太阳能电池输出电压由电阻R1和电阻R2构成的分压电路取样并由CC2430的A/D通道采集变换[4]，在CC2430中通过软件产生PWM波并由CC2430的P0.4输出，可以直接驱动VMOS管T1，也可以直接驱动光藕器件，由于电路中VMOS管T1三个电极的工作电压均超过了CC2430的安全工作电压，因此，CC2430的P0.4端口不能直接连接到VMOS管T1的栅极上，而是通过了一个光藕隔离，PWM波通过光藕直接驱动VMOS管T1工作，当太阳能电池输出电压在一定范围内变化时，通过PWM波占空比变化使VMOS管T1调节输入电压，保证AMS1117的输入直流电压在允许的范围内。本电路设计中，RC延时电路的设计也很重要，是为了防止电路系统突然供电时，因CC2430初始化需要时间，不能马上输出PWM波，有可能导致AMS1117稳压模块的输入端承受过高直流电压而带来危险，同时，电路设计中还考虑到了CC2430芯片单独复位时带来的危险因素，那就是RC延时电路和CC2430芯片复位电路实现联动，考虑到CC2430芯片故障时不至于造成更大的损失，在电源电路的输入端还加装了保险丝。通过这一系列的设计考虑，确保了本设计的安全可靠。

1.2 系统软件设计

由于本设计考虑尽可能减少元器件数量，充分挖掘利用CC2430中资源，降低电路成本，缩减电路板体积，PWM控制中采用定时器中断方式，即利用定时器中断服务程序产生PWM波，确保其他程序的运行不影响PWM波，因此，在CC2430定时器Time1,Time2,Time3,Time4中，可以选择Time1,Time3,Time4，不能选择Time2，因为Time2是MAC定时器，本文中选择Time1定时器为PWM波发生器，合理设置T1CTL寄存器、T1CCTL0寄存器、T1CCTL2寄存器、T1CC0L和T1CC0H寄存器以及T1CC2L和T1CC2H寄存器，就可以获得PWM波输出。T1控制寄存器中相应项要设置成为输出比较方式，其中，T1CC0L和T1CC0H设置为合适的固定值，而T1CC2L和T1CC2H中的值则由A/D变换器得到的数值决定。程序流程图如图3所示。

从图3中可以看出，PWM波占空比的调整依赖于A/D变换得到的数据，本设计中PWM波周期由T1CC0决定，占空比由T1CC2决定。部分程序如下：

2 结语

本设计中，充分利用了CC2430芯片中的功能，减少了外围元器件的数量，降低了成本，通过实验得到的数据证明，其结果完全能达到设计指标和性能要求，但在实验过程中也发现，启动PWM功能后，对CC2430转换数据和转发数据的速度有一点影响。好在本设计是针对太阳能光伏电池组件的有关参数采集和转发而设计的，这种电池组件对采集和转发数据的速度要求不高，所以，本设计完全能满足要求，在其他对CC2430采集数据和转发数据的速度要求不高的应用领域，这个系统的设计也是能满足应用要求的。

参考文献

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[6]陈杰.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社,2002.

电池组件 第9篇

近日, 广运机电 (苏州) 有限公司 (以下简称广运机电) 宣布推出一套新设计的太阳能电池、组件整线生产系统。电池生产系统包括硅片检测机、蚀刻机、磷扩散炉、电浆辅助化学气相沉积设备、双次丝网印刷设备、快速烧结炉、IV检测及分类机, 以及Texture至PECVD各主机衔接的装载、卸载设备。其中刻蚀机、磷扩散炉和电浆辅助化学气相沉积炉单机部分采用了Rena、Centrotherm的相关设备, 其余单机部分及生产线的串联由广运机械自行规划设计。

组件生产系统包括检测设备、串悍、封装层压、切边、封胶、安装接线盒、装框设备, 以及成品检测设备。

该生产线制造的背电极电池的转换效率可以达到17.1%, 良率能达到98%, 破片率降至1.5%, 并且这套设备的售价比欧、美、日同类型产品低30%。