博鱼体育官网【MFC保举】剖析高功率密度的超薄金属双极板燃料电池的奥秘
栏目:博鱼体育官方网站 发布时间:2023-09-19
  最近几年来,氢燃料电池算作一种新式的环保型可更生动力,成长势头异常被人们看好,氢燃料电池具备能量转移率高、噪音低和零排放等长处,已被普遍利用于汽车、飞机、列车等交通对象和流动电站等方面。   成长氢能和氢燃料电池具备庞大的动力计谋意思。国度不停推出和公布勉励撑持氢能成长的利好计谋,动员了海内氢燃料电池及其燃料电池汽车的加快研讨和财产化历程。比拟电动汽车,氢燃料汽车加注氢气的工夫较

  最近几年来,氢燃料电池算作一种新式的环保型可更生动力,成长势头异常被人们看好,氢燃料电池具备能量转移率高、噪音低和零排放等长处,已被普遍利用于汽车、飞机、列车等交通对象和流动电站等方面。

  成长氢能和氢燃料电池具备庞大的动力计谋意思。国度不停推出和公布勉励撑持氢能成长的利好计谋,动员了海内氢燃料电池及其燃料电池汽车的加快研讨和财产化历程。比拟电动汽车,氢燃料汽车加注氢气的工夫较短,续航历程更长,环保性更优,被业界遍及以为是汽车将来成长的一种”最终形状”。

  氢燃料电池是若何事情的?焦点关头零零件——高功率密度的超薄金属双极板的用处是甚么?它的研发创设有何难点?我国科研职员是若何霸占难点?想必大师大概不太领会,这边,小编就为大师科普一下。

  学过化学的人都懂得,水电解后将获得氢气和氧气,而氢燃料电池在道理上即是水电解的“逆”反映进程,行将氢气和氧气经过必定体例分解后酿成水,同时在这分解实践中咱们不妨获得“电”,上面咱们经过一副图来说解一下:

  燃料电池的燃料是氢气和氧气,起首将氢气送到燃料电池的阳极板(电源负极),颠末催化剂的感化,氢原子中的氢离子和电子被分手进去。氢离子(质子)穿过离子互换膜,达到燃料电池阴极板(电源正极),而电子不克不及经过离子互换膜只可经内部电路达到燃料电池阴极板,进而在外电路中发生直流电流。而电子达到阴极板后,与来自氛围的氧原子和达到阴极板的氢离子从头联合为水。

  每单体电池表面下限电压为1.23V,将多个电池串连层叠拉拢后就可以组成输入电压满意契合须要的燃料电池堆。

  由图可知燃料电池现实是一种将氢气和氧气经过电化学反映直接转移为电能的发电装配。其进程不触及熄灭,卤化物械消耗,能量转移率高达60~80%,为内燃机的2~3倍。产品仅为电、热和水,相对环保。

  氢燃料电池是由多个单体电池串连拉拢而成,将双极板与膜电极三合一组件瓜代叠合,各单体之间嵌入密封件博鱼体育官网,临了经前、后端板用螺栓压牢牢固,就构成了咱们所需求的燃料电池。单体电池的里面构造见下图。

  算作燃料电池的关头零零件之一,燃料电池双极板(又叫流场板)的职位十分主要,它不但是电堆中的“骨架”,并且双极板担当的功效良多:要停止燃料、氧化剂和冷却液的分割;经过流道将燃料和氧化剂平均供给给电极停止电化学反映;将冷却液分派到各个冷却腔体,移出反映发生的热量;搜集单节电池上电化学发生的电流等。

  对双极板的央浼长短常严格的,从功效上央浼双极板材质是电与热的良导体、具备必定的强度和气体精细性等;不变性方面央浼双极板在燃料电池酸性和干冷情况下具备耐侵蚀性和无净化性;产物化方面央浼双极板材质要易于加工、本钱便宜。是以,双极板需求满意高电导率和热导、高死板强度、有用阻塞反映流体、耐侵蚀性好、材质本钱低和可停止大范围主动化出产等严格央浼。

  石墨基双极板--具备十分杰出的化学不变性和很高的导电率,然则有分量重、脆性大、难加工,厚度减薄已趋于限度等错误谬误,同市价格高贵,现多利用于商用车。

  金属双极板--具备电导率高、价钱便宜、工艺制法各类、高死板强度等长处,但其易受侵蚀和净化,外表易构成氧化物薄膜,是以金属双极板的手艺难点在于成型手艺和外表处置手艺。

  复合材质双极板--能较好地联合石墨板与金属板的长处,密度低、抗侵蚀、易成型,然则加工周期长、持久事情靠得住性较差,是以今朝不大规模推行。

  因为车辆空间局限(特别是轿车)和乘用车燃料电池具备高能量密度须要,金属双极板已成为乘用车燃料电池的支流双极板。今朝国表里险些各大汽车公司都采取金属双极板手艺。

  燃料电池的“高功率密度、大功率输入、长命运气转、低本钱创设”是持久约束燃料电池汽车范围化推行的国际级性困难,这四项央浼均需求靠金属双极板来包管,为此央浼金属双极板必需做到:厚度尽大概薄、加工精度高、耐侵蚀性强和出产效力高。这也是金属双极板创设的四大困难。

  ⑴厚度薄:乘用车用燃料电池央浼要有大于3kW/L的高功率密度,凡是100kW电堆由400多片双极板和膜电极叠装而成。双极板占电堆体积80%,这就央浼金属双极板必需做的越发薄(0.07-0.1美眉),如此才可以使得金属电堆的体积小,功率密度大。

  二、加工精度和分歧性:乘用车用燃料电池央浼要达成高功率输入,且要具备十年以上的利用寿命,是以必需靠十分高的加工精度和产物完整分歧性来包管。金属双极板的加工工序十分多,在每起工序中对双极板流道外形想象、采用材质耐蚀性及厚薄平均性、焊接平坦度、翘曲、流道深度平均性等都有很高的央浼,乃至是微米级精度的央浼,金属双极板以下图所示。

  三、耐侵蚀性强:金属双极板持久浸泡在酸性介质中并遭到温度的打击,还要具备杰出的耐侵蚀性、高电导和低打仗电阻等特征,故必需具备超高强的耐侵蚀性,今朝最经常使用的工艺是在金属基体外表停止多种材质和多层喷涂处置,然则涂层材质配方和涂覆工艺的研讨是业内焦点手艺需求攻关 。

  ⑷出产效力高:若何把尝试室研讨功效达成财产化,同时顺遂做到“四浩劫点“的办理,包管金属双极板产物的尺寸切确和机能分歧性,真实达成财产化难度很是大,这中心需求壮大的高端创设设备和美满靠得住的工艺过程的包管。

  一向今后,我国在氢燃料电池的研讨落伍于外洋进步前辈国度,迥殊是在金属双极板创设方面停顿不大,这约束了我国新动力汽车的快捷成长,尽量对氢燃料电池金属双极板关头手艺研讨和开辟,成为摆在我国科研职员眼前当务之急的主要问题。良多科研职员为此持久辛苦休息,专心研讨,沉静贡献,获得了一批可喜的功效。

  据领会,上海交通大学燃料电池科研团队持久停止《高功率密度燃料电池薄型金属双极板及批量化紧密创设手艺》关头手艺研讨和开辟,颠末十多年的不懈尽力,终究胜利霸占了金属双极板的“四大困难“,并在与财产界互助的工程实际中获得了完善的时效。名目立异功效的胜利研发不但办理了氢燃料电池金属双极板的关头焦点手艺困难,并且当上该范畴的领跑者,为我国成长氢能和氢燃料电池打下了踏实根底,名目由此取得了2019年度的上海市手艺发现奖绝顶奖 。

  ⑴立异的构造想象:在金属双极板的构型想象方面,放弃外洋企业采取古代的“三板三场”构造想象(即用阳极板、隔板、阴极板将氢气场、氧气场、冷却液流场离隔)。交大研发团队颠末不停立异和改良,胜利去掉隔板,改成“二板三场”,即经过冲压件的距离支持和错层密封构成翻转的流场,采取两个冲压件构成自力联通 的氢、氧、水三个流场。金属双极板的厚度不妨做到1美眉之内,大大加重电堆的体积和分量,而且功率密度跨越3KW/L,该想象颠末充实的工程考证。到达国际级超过程度。构造立异想象以下图。

  二、涂层材质复合配方:在金属双极板的材质选型方面,为了到达高耐蚀、高导机电能的高难度央浼,研讨团队抛弃国别传统的石墨计划和钛合金替换计划,立异拟定了“不锈钢+复合涂层”计划,,团队想象了钛、铬等多元复合涂层,涂覆层数高达二十多层,且每层采取不一样的涂覆工艺,导致涂层厚度在100纳米具体来讲。并自立研发了双极板涂层的多腔延续磁控溅射等工艺设备,采取磁控溅射方式在不锈钢外表堆积铬涂层,进而使铬涂层平均精细,明显进步了不锈钢的自侵蚀电位。经尝试,其打仗电阻和侵蚀电流明显优于外洋进步前辈涂层,经过车用5000小时寿命查核。

  三、多步成形偏差抵偿:金属双极板的紧密成型对精度央浼十分高,并且冲压进程是屡次成型,这对厚度仅为0.1美眉的不锈钢材质来说,若何掌握工件的变形和流道的高度十分主要,研发团队采取多步成形偏差抵偿手艺,而且胜利革新国产装备到达十分不变的冲压进程掌握,进而比力快捷、高精度包管这样大极板的精度。多步成形偏差抵偿采取第一步粗校准抵偿,第2、三步精校准抵偿的方式。经过屡次抵偿后, 金属双极板精度获得较着的进步,偏差掌握在微米级规模。

  ⑷激光焊接变形按捺手艺:金属双极板因为十分薄, 焊接实践中极易变形,若何掌握焊接工艺使变形最小是极大的寻事。研发团队想象了合适的焊接变形掌握方式,优化工艺参数与冷源参数,经过借助焊接温度及应力制止焊接变形题目,晋升不锈钢板应力平衡性,自立开辟了多工位焊接,包管在焊接实践中不妨比力高效按捺焊接的变形。

  五、在线监控体例:燃料电池是有数单体电池串连而成,象征着每单体电池都不克不及呈现滞碍,央浼100%齐备无端障。研发团队按照金属双极板全出产过程,停止进程妥当想象,合幻想象工艺进程,进步不变性。并经过在线的监控体例,包罗参数的掌握,使全部出产进程处于可控状况,为进步全部产物不变性和包管尺寸、拆卸都有很好的结果。

  六、研讨功效财产化。研发团队创办了本人的商场化运作的工场,采取校企联合的形式使研讨成真的实落地。工场成立了华夏首条金属双极板批量化出产线片,不妨供给单条线万片极板掌握才能,为多量量创设打下了踏实根底。

  今朝,交大燃料电池科研团队开辟的高功率密度金属双极板已在海内领先经过5000小时车载工况寿命查核,建立了海内金属极板商场上主宰职位。功效也已利用于华夏首辆金属极板燃料电池轿车与客车和首个上汽P390型115kW车用全功率电堆开辟下面,为上汽、春风、长城等海内金属极板燃料电池汽车开辟供给了自立可控的焦点手艺,占有海内氢动力燃料电池商场的半壁山河以上。前往搜狐,审查更多