基本信息
- 項目名稱：
- 一種高效、低成本的質子交換膜燃料電池用金屬雙極板
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 雙極板制造是質子交換膜燃料電池市場化的核心與關鍵。金屬雙極板是替代目前制造成本高、可靠性差的石墨雙極板的最好選擇，但存在成形精度、防腐等瓶頸問題。本作品巧妙設計“三進三出”極板構型，大幅提高了電池功率密度；采用介觀尺度微細成形工藝制備高精度、低成本極板原型；兼顧防腐和接觸電阻，研發(fā)了高性能“階梯式”復合膜，大幅提升抗腐蝕能力的同時接觸電阻可與石墨雙極板相媲美，對于車用燃料電池推廣應用具有重要意義。
- 詳細介紹：
- 作品來源 質子交換膜燃料電池具有清潔、高效、能源可再生等特點，有望代替常規(guī)發(fā)動機成為未來汽車的主要動力來源，并可應用到電子產品、航空航天、固定電站等多個領域，是“低碳經(jīng)濟”的理想形態(tài)之一。 質子交換膜燃料電池主要由端板、雙極板、膜電極組件（MEA）等裝配而成，裝配方式現(xiàn)多為手工裝配。雙極板作為其核心部件之一，重量占到電堆總重量的80%以上，制造成本約占總成本的29%。目前廣泛采用的是石墨材料。但石墨雙極板具有以下缺點：1）制造成本高；2）材料脆，不適合環(huán)境惡劣的車載工況； 3）為保證機械強度，石墨雙極板一般較厚（4mm左右），降低了電堆功率密度。現(xiàn)有的少量金屬雙極板有以下不足：采用三層復合設計滿足燃料氣、氧化氣和冷卻水的流通，復雜的結構影響裝配質量和電池性能；由于受目前極板成形工藝的限制，設計的流道尺寸大，反應效率低，制造精度低；且極板防腐等方面缺乏實用技術。 針對這些問題，本作品巧妙設計“三進三出”結構實現(xiàn)了金屬雙極板“一板三用”的功能，結構更加緊湊；建立了介觀尺度下金屬雙極板沖壓成形工藝，獲得了高精度、低成本的新型金屬雙極板；針對金屬極板多重腐蝕機理，研發(fā)了“階梯式”復合膜大幅提高雙極板抗腐蝕能力。發(fā)明的目的在于降低質子交換膜燃料電池的制造成本，提高燃料電池可靠性，同時提高其能量密度，從而促進燃料電池的推廣應用。 研究內容 本科技發(fā)明主要針對以下幾個問題： (1)金屬雙極板流場設計：燃料電池極板的流道設計，不僅影響極板的可成形性，而且決定著電池反應效率。本作品綜合考慮流動反應的效率和可成形性，提取極板流道形狀的關鍵尺寸，提出一種適合介觀尺度沖壓成形制造、便于密封的金屬雙極板流道形式，建立參數(shù)化的極板流道設計模型，通過聯(lián)合仿真分析確定極板的最優(yōu)流道布置形式。 (2)金屬雙極板微細成形：燃料電池極板采用 0.1mm金屬薄板，屬于典型的介觀尺度制造范疇（零件尺寸范圍為0.1～10mm，幾何特征尺寸范圍為0.01～1mm）,其沖壓成形是拉延、拉深耦合的復雜過程，會出現(xiàn)有別于傳統(tǒng)宏觀尺度成形的特殊現(xiàn)象，即尺度效應。所謂尺度效應是指在介觀成形過程中，由于制品整體或者局部尺寸的微小化引起的成形機理以及材料變形規(guī)律表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)成形過程的現(xiàn)象。如何保證復雜的流道構型與微小槽寬間的相容性，降低成形工藝參數(shù)的敏感性而獲得高精度金屬雙極板，是極板制造的關鍵，但是目前并沒有適當?shù)奈⒓殯_壓工藝理論指導雙極板的設計和制造。因此，在金屬雙極板微細成形過程中必須充分考慮尺度效應的影響，建立系統(tǒng)的燃料電池金屬雙極板成形工藝，為燃料電池的低成本制造提供技術支撐。 (3)金屬雙極板表面處理工藝：金屬雙極板在燃料電池高溫高濕環(huán)境下的腐蝕和接觸電阻是影響極板壽命、制約電池功率提升的主要原因，而耐腐蝕性與接觸電阻兩種性能相互制約。本科技發(fā)明根據(jù)極板基底材料電化學腐蝕機理，探索鍍層材料抗腐行為，兼顧腐蝕性能和接觸性能，通過分析、實驗研究了多種表面處理工藝對極板抗腐蝕性能和接觸性能的效果，最終采用一種新型表面處理工藝對極板表面進行改性處理。通過此方法對極板表面進行工藝改性，大大增加了極板的抗腐蝕能力，同時改善了表面接觸電阻性能。本科技發(fā)明的金屬雙極板腐蝕電流為0.084μA/ cm2，達到了美國能源部（DOE）目標（≤1μA/cm2），抗腐蝕性能大大提高。本作品金屬極板抗腐蝕性能同時也受到上海汽車工業(yè)集團、神力科技股份有限公司的高度認可（技術高度保密）。 (4)在測試電堆的裝配過程中，本作品同時對金屬雙極板連接工藝和裝配進行了研究：燃料電池雙極板連接由復雜流道結構的薄壁單極板連接，傳統(tǒng)的焊接方法存在焊縫表面質量較差、焊接熱變形大及難以達到規(guī)?；a等多方面問題，目前采用的膠粘方法粘結均勻性、密封性難以保證，嚴重影響了金屬雙極板燃料電池裝配的效果和電池性能。因此，需要采用一種合適且快速的連接工藝，滿足規(guī)?；a并保證焊接后金屬雙極板良好的板形。另外，目前燃料電池電堆通常采用手工裝配，該方法不僅效率很低，而且很難實現(xiàn)電堆內部MEA與雙極板之間接觸壓力均勻，嚴重影響了整個電池的性能。本作品的測試電堆采用了自主設計的自動化裝配工藝。 作品性能及效益 經(jīng)大連化學物理研究所燃料電池測試中心檢測，本科技發(fā)明的金屬雙極板關鍵技術指標，均超過美國能源部（DOE）指標。比重量0.15 g/cm2(DOE:≤0.3g/cm2)，接觸電阻12.5mΩ/cm2(DOE:≤20mΩ/cm2)，厚度偏差13μm，腐蝕電流0.084μA/cm2(DOE:≤1μA/cm2)，彎曲強度 50Mpa(DOE:≥30MPa)，適用溫度-20~90℃(DOE:-20~80℃)。采用本科技發(fā)明的金屬雙極板裝配電堆并進行測試，電池功率密度高達1270.8mW/cm2，文獻檢索表明，現(xiàn)有技術水平的質子交換膜燃料電池峰值功率密度一般在600～850mW/cm2的水平。 本科技發(fā)明有效降低了燃料電池制造成本。與石墨極板對比，如果按每臺轎車燃料電池發(fā)動機500片雙極板計，以1千輛車為例，需要50萬片?，F(xiàn)有石墨雙極板成本是200-300元/片左右，本發(fā)明雙極板按批量化生產，成本為石墨雙極板的十分之一到十五分之一，因此可節(jié)約1.25億元左右。在降低燃料電池成本的同時，基于本科技發(fā)明金屬雙極板的燃料電池功率密度也大幅提升，同樣按每臺發(fā)動機500片雙極板計，與現(xiàn)有水平質子交換膜燃料電池相比，保守計算相同工作條件下可增大發(fā)動機發(fā)電量約1/5。 此外，基于本科技作品的研究成果，與上海汽車集團公司和大連新源動力股份有限公司簽署了關于上海汽車工業(yè)（集團）公司“十二五”燃料電池汽車項目的三方開發(fā)協(xié)議。將于2012年底完成全尺寸車用燃料電池金屬極板開發(fā)，并進行裝車驗證，為我國開發(fā)新一代高性能燃料電池汽車奠定基礎。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 發(fā)明目的 現(xiàn)有金屬雙極板存在流場尺寸大、制造精度低、反應效率低及防腐能力差等問題。本發(fā)明旨在實現(xiàn)構型創(chuàng)新，建立新型成形工藝，探索表面改性新工藝，制備精度高、成本低、壽命長的金屬雙極板，促進車用燃料電池產業(yè)化。 基本思路 以0.1mm金屬薄板為材料，完成極板構型的創(chuàng)新設計；采用可大批量生產的介觀尺度沖壓成形工藝實現(xiàn)極板高精度、低成本制造；采用非平衡磁控濺射工藝提高極板抗腐能力；設計自動化電堆裝配工藝，實現(xiàn)極板性能評估。 創(chuàng)新點 1)巧妙設計“三進三出”極板構型實現(xiàn)“一板三用”，滿足了介觀尺度沖壓成形工藝及流道特殊要求；且陰、陽極板相同，僅需一副模具。 2)摒棄無法實現(xiàn)大量微細溝槽精密制造的傳統(tǒng)沖壓成形，本作品綜合考慮流道微細化需求和制造中的尺度效應，采用介觀尺度沖壓成形工藝制備了高精度、低成本的金屬雙極板； 3)兼顧防腐和接觸電阻性能，研發(fā)了“階梯式”特定復合膜，采用非平衡磁控濺射工藝對極板進行表面處理，使抗腐蝕能力超過美國能源部指標、接觸電阻與石墨極板媲美。 技術關鍵 1)極板設計：權衡氣體反應效率和極板可成形性，創(chuàng)新流場布局；2)極板成形：充分考慮尺度效應，建立系統(tǒng)的金屬雙極板成形工藝；3)表面改性：解決防腐與接觸電阻之間的矛盾，達到提高電池壽命和性能的雙重目的；4)連接和裝配：解決單極板連接變形失控問題，開發(fā)自動化裝配工藝。 技術指標 接觸電阻12.5mΩ/cm2，厚度誤差13μm，腐蝕電流0.084μA/cm2，均大幅超過美國能源部指標（見詳細介紹）。
科學性、先進性
- 1.金屬雙極板構型“一板三用”：無需額外增加極板構成冷卻水流場，提高電池體積功率密度，只需一副模具，制造成本和工藝復雜性降低。 2.有效降低燃料電池制造成本，提高雙極板精度：采用自主建立的介觀尺度下極板沖壓成形工藝，制備了高精度的金屬雙極板，其成本約20元/片（石墨極板約200-300元/片）。 3.基于本金屬雙極板的電池功率密度大幅提升：本發(fā)明的電池峰值功率密度高達1270.8mW/cm2（現(xiàn)有技術水平600～850mW/cm2）。 4.解決金屬極板腐蝕與接觸電阻矛盾：研發(fā)的“階梯式”復合膜使金屬極板腐蝕電流密度降為0.084μA/cm2（美國能源部指標為≤1μA/cm2）；相比表面改性前，金屬雙極板的表面接觸電阻至少下降97%，甚至優(yōu)于石墨雙極板。 5.提高電池裝配可靠性和效率：采用光纖激光焊接工藝解決金屬極板連接變形失控問題，開發(fā)自動化裝配工藝提高裝配效率和電池性能。 鑒于本作品在金屬雙極板成形和防腐的重大突破，上汽集團和神力科技均表現(xiàn)極大興趣并簽訂合作協(xié)議（見附件）。
獲獎情況及鑒定結果
- 1.美國科惠力（Coherix）公司提供的“雙極板制造精度報告”，認為本作品雙極板的制造精度達到世界同領域先進水平。（見附件） 2.在上海市新能源汽車推進辦公室舉辦的“高新技術產業(yè)化展”上，本作品金屬雙極板受到眾多好評。（見附件） 3.第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外科技作品競賽本省市一等獎。
作品所處階段
- 本金屬雙極板已被上汽集團采購，在2012年底將完成全尺寸車用燃料電池金屬極板開發(fā)，并進行裝車試驗。
技術轉讓方式
- 技術轉讓，成品出售。
作品可展示的形式
- 實物、產品 、模型 、現(xiàn)場演示、圖片。
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特點 采用本金屬雙極板裝配的電池體積功率密度達2716W/L，質量功率密度達2158W/Kg，均超過美國能源部指標；雙極板構型提高電堆緊湊性，降低工藝復雜性；采用介觀尺度沖壓成形工藝，實現(xiàn)雙極板高精度、低成本制造；采用新型表面改性工藝改善防腐和接觸電阻，提高電池功率密度和極板壽命。配合光纖激光焊接和自動化裝配工藝，提高電池裝配可靠性和效率，并有利于規(guī)?；a。 適用范圍 基于金屬雙極板的質子交換膜燃料電池零排放、比功率高、體積小，可廣泛應用于交通工具、軍事、家庭、航空航天等領域，可以證明在其所有可能的應用范圍內，其性能可能已經(jīng)超過任何其他電能產生裝置。本作品金屬雙極板為其產業(yè)化提供了一條有效途徑。 市場分析 氫能被國際公認為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵦娲茉矗诮饘匐p極板的質子交換膜燃料電池符合市場發(fā)展的需要。采用本發(fā)明的金屬雙極板燃料電池能量密度大，工作效率高，極板成本為石墨極板的1/10-1/15，具有可觀的市場和經(jīng)濟效益，估計在近幾年內雙極板的國內市場在2億元左右。
同類課題研究水平概述
- 雙極板研究現(xiàn)狀 石墨極板加工難度大，加工成本很高；石墨易碎，成品極板組裝較困難，限制了其在交通工具上的運用；石墨是多孔材料，雙極板需要幾毫米的厚度保證反應氣體分離開來，導致重量和體積較大。目前，金屬雙極板開始出現(xiàn)。與石墨雙極板相比，金屬雙極板具有原材料成本低、強度高、加工方式靈活、功率/體積比大等優(yōu)點，是今后燃料電池得以工業(yè)化生產的理想選擇。近年來，大多數(shù)國際知名汽車廠商都投入巨資進行金屬雙極板的研究。如通用汽車在該項技術投入累計達幾億元。因此，推廣金屬雙極板是實現(xiàn)燃料電池的低成本制造必由之路，但金屬極板微細成形、極板防腐、極板連接工藝等方面缺乏實用技術。 金屬雙極板沖壓成形與設計研究現(xiàn)狀 極板的沖壓成形是一個典型的微細成形工藝，具有強烈的尺度效應。但迄今為止，微細板料沖壓成形的研究還很不成熟，針對介觀尺度下金屬雙極板的沖壓成形并無理論依據(jù)，因此需要對介觀尺度雙極板沖壓成形展開深入研究，建立系統(tǒng)的燃料電池金屬雙極板成形工藝。同時，極板結構設計研究沒有考慮介觀尺度下氣體在微型流道中流動特性和流道的可制造性，流道尺寸很大，影響電池反應效率，制約了電池性能的提升。 金屬雙極板耐腐蝕性仍然是面臨的挑戰(zhàn)。 提高雙極板防腐工藝研究主要集中在兩個方面:1)極板基體材料改性：2006年，美國西北太平洋國家實驗室采用一種三明治結構板材（不銹鋼薄板兩側軋制一層耐腐蝕鎳）來加工雙極板，但加工工藝復雜、成本高，且后續(xù)的成形、連接工藝難以保證表層耐腐蝕材料的完整性；2）雙極板表面改性：2007年加拿大Northwood 大學采用TiN涂層進行改性，但鍍層材料必須致密，否則容易加速腐蝕，且接觸電阻仍然較大?？傮w來講，目前雙極板耐腐蝕性能仍然面臨兩大困難：1）耐腐蝕性和接觸電阻難以同時滿足：兩種性能相互制約，單一涂層很難同時滿足要求，需要開發(fā)復合涂層與基體改性工藝；2）涂層與金屬基體結合問題：極板成形后表面應力狀態(tài)發(fā)生變化，影響涂層與基體金屬的結合力，在頻繁的電沖擊下涂層易于脫落。 其他 金屬雙極板采用不銹鋼超薄板連接，傳統(tǒng)的焊接工藝（如TIG焊、脈沖激光焊等）熱變形大、焊縫表面質量差、易造成燒穿。普遍采用的膠粘工藝，其均勻性、密封性難以保證。另外，目前燃料電池電堆通常采用手工裝配，該方法不僅效率很低，而且很難實現(xiàn)電堆內部MEA與雙極板之間接觸壓力均勻，嚴重影響了整個電池的性能。
