【MFC推荐】解析高功率密度的超薄金属双极板燃料电池的奥秘

  近年来，氢燃料电池作为一种新型的环保型可再次生产的能源，发展势头十分被人们看好，氢燃料电池具有能量转化率高、噪音低以及零排放等优点，已经被大范围的应用于汽车、飞机、列车等交通工具以及固定电站等方面。

  发展氢能和氢燃料电池具有巨大的能源战略意义。国家不断推出和发布鼓励支持氢能发展的利好政策，带动了国内氢燃料电池及其燃料电池汽车的加速研究和产业化进程。相比电动汽车，氢燃料汽车加注氢气的时间较短，续航里程更长，环保性更优，被业界一致认为是汽车未来发展的一种”终极形态”。

  氢燃料电池是如何工作的？核心关键零部件——高功率密度的超薄金属双极板的用途是什么？它的研发制造有何难点？我国科研人员是如何攻克难点？想必大家可能不太了解，这里，小编就为大家科普一下。

  学过化学的人都知道，水电解后将得到氢气和氧气，而氢燃料电池在原理上就是水电解的“逆”反应过程，即将氢气和氧气通过一定方式合成后变成水，同时在这合成过程中我们大家可以得到“电”，下面我们通过一幅图来讲解一下：

  燃料电池的燃料是氢气和氧气，首先将氢气送到燃料电池的阳极板（电源负极），经过催化剂的作用，氢原子中的氢离子和电子被分离出来。氢离子（质子）穿过离子交换膜，到达燃料电池阴极板（电源正极），而电子不能通过离子交换膜只能经外部电路到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生直流电流。而电子到达阴极板后，与来自空气的氧原子以及到达阴极板的氢离子重新结合为水。

  每一单体电池理论上限电压为1.23V，将多个电池串联层叠组合后就能构成输出电压满足符合需求的燃料电池堆。

  由图可知燃料电池实际是一种将氢气和氧气通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。其过程不涉及燃烧，无机械损耗，能量转化率高达60~80%，为内燃机的2～3倍。产物仅为电、热和水，绝对环保。

  氢燃料电池是由多个单体电池串联组合而成，将双极板与膜电极三合一组件交替叠合，各单体之间嵌入密封件，最后经前、后端板用螺栓压紧紧固，就形成了我们所需要的燃料电池。单体电池的内部结构见下图。

  作为燃料电池的关键零部件之一，燃料电池双极板（又叫流场板）的地位很重要，它不仅是电堆中的“骨架”，而且双极板担负的功能很多：要进行燃料、氧化剂和冷却液的分隔；通过流道将燃料和氧化剂均匀供应给电极进行电化学反应；将冷却液分配到各个冷却腔体，移出反应产生的热量；收集单节电池上电化学产生的电流等。

  对双极板的要求是非常严酷的，从功能上要求双极板材料是电与热的良导体、具有一定的强度以及气体致密性等；稳定性方面要求双极板在燃料电池酸性和湿热环境下具有抵抗腐蚀能力和无污染性；产品化方面要求双极板材料要易于加工、成本低廉。因此，双极板需要满足高电导率和热导、高机械强度、有效阻隔反应流体、抵抗腐蚀能力好、材料成本低以及可进行大规模自动化生产等严酷要求。

  燃料电池常采用的双极板材料有石墨碳板、金属双极板、复合双极板3大类。它们的优劣势比较如下：

  石墨基双极板--有很良好的化学稳定性和很高的导电率，但是有重量重、脆性大、难加工，厚度减薄已趋于极限等缺点，同时价格昂贵，现多应用于商用车。

  金属双极板--具有电导率高、价格低、工艺制法多样、高机械强度等优点，但其易受腐蚀和污染，表面易形成氧化物薄膜，因此金属双极板的技术难点在于成型技术和表面处理技术。

  复合材料双极板--能较好地结合石墨板与金属板的优点，密度低、抗腐蚀、易成型，但是加工周期长、长期工作可靠性较差，因此目前没有大范围推广。

  由于车辆空间限制（尤其是轿车）以及乘用车燃料电池具有高单位体积内的包含的能量需求，金属双极板已成为乘用车燃料电池的主流双极板。目前国内外几乎各大汽车公司都采用金属双极板技术。

  燃料电池的“高功率密度、大功率输出、长寿命运行、低成本制造”是长期制约燃料电池汽车规模化推广的国际性难题，这四项要求均需要靠金属双极板来保证，为此要求金属双极板必须做到：厚度尽可能薄、加工精度高、抵抗腐蚀能力强和生产效率高。这也是金属双极板制造的四大难题。

  1、厚度薄：乘用车用燃料电池要求要有大于3kW/L的高功率密度，通常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%，这就要求金属双极板必须做的更加薄（0.07-0.1mm)，这样才可以使得金属电堆的体积小，功率密度大。

  2、加工精度和一致性：乘用车用燃料电池要求要实现高功率输出，且要具有十年以上的常规使用的寿命，因此必须靠非常高的加工精度和产品完全一致性来保证。金属双极板的加工工序非常多，在每一道工序中对双极板流道形状设计、选用材料耐蚀性及厚薄均匀性、焊接平整度、翘曲、流道深度均匀性等都有很高的要求，甚至是微米级精度的要求，金属双极板如下图所示。

  3、耐腐蚀性强：金属双极板长期浸泡在酸性介质中并受到温度的冲击，还要拥有非常良好的耐腐的能力、高电导和低接触电阻等特性，故一定要有超高强的耐腐的能力，目前最常用的工艺是在金属基体表明上进行多种材料和多层喷涂处理，但是涂层材料配方和涂覆工艺的研究是业内核心技术需要攻关 。

  4、生产效率高：如何把实验室研究成果实现产业化，同时顺利做到“四大难点“的解决，保证金属双极板产品的尺寸精确和性能一致性，真正的完成产业化难度相当大，这中间需要强大的高端制造装备和完善可靠的工艺流程的保证。

  一直以来，我国在氢燃料电池的研究落后于国外先进国家，特别是在金属双极板制造方面进展不大，这制约了我们国家新能源汽车的加快速度进行发展，尽快对氢燃料电池金属双极板关键技术探讨研究和开发，成为摆在我国科研人员面前迫在眉睫的重要课题。很多科研人员为此长期辛勤劳动，潜心研究，默默奉献，取得了一批可喜的成果。

  据了解，上海交通大学燃料电池科研团队长期进行《高功率密度燃料电池薄型金属双极板及批量化精密制造技术》关键技术探讨研究和开发，经过十多年的不懈努力，终于成功攻克了金属双极板的“四大难题“，并在与产业界合作的工程实践中取得了完美的实效。项目创新成果的成功研发不仅解决了氢燃料电池金属双极板的关键核心技术难题，而且成为了该领域的领跑者，为我们国家发展氢能和氢燃料电池打下了坚实基础，项目由此获得了2019年度的上海市技术发明奖特等奖 。

  1、创新的结构设计：在金属双极板的构型设计方面，摒弃国外企业采用传统的“三板三场”结构设计（即用阳极板、隔板、阴极板将氢气场、氧气场、冷却液流场隔开）。交大研发团队经过不停地改进革新和改进，成功去掉隔板，改为“二板三场”，即通过冲压件的间隔支撑和错层密封形成翻转的流场，采用两个冲压件形成独立联通 的氢、氧、水三个流场。金属双极板的厚度能做到1mm以内，非常大程度上减轻电堆的体积和重量，并且功率密度超过3KW/L，该设计经过充分的工程验证。达到国际领先水平。结构创新设计如下图。

  2、涂层材料复合配方：在金属双极板的材料选型方面，为了达到高耐蚀、高导电性能的高难度要求，研究团队摈弃国外传统的石墨方案和钛合金替代方案，创新制定了“不锈钢+复合涂层”方案，，团队设计了钛、铬等多元复合涂层，涂覆层数高达二十多层，且每一层采用不一样的涂覆工艺，致使涂层厚度在100纳米以下。并自主研发了双极板涂层的多腔连续磁控溅射等工艺装备，采用磁控溅射方法在不锈钢表面沉积铬涂层，从而使铬涂层均匀致密,明显提高了不锈钢的自腐蚀电位。经测试，其接触电阻和腐蚀电流显著优于国外先进涂层，通过车用5000小时寿命考核。

  3、多步成形误差补偿：金属双极板的精密成型对精度要求非常高,而且冲压过程是多次成型,这对厚度仅为0.1mm的不锈钢材料来讲，怎么来控制工件的变形和流道的高度很重要,研发团队采用多步成形误差补偿技术，并且成功改造国产设备达到很稳定的冲压过程控制，从而比较快速、高精度保证这么大极板的精度。多步成形误差补偿采用第一步粗校准补偿，第二、三步精校准补偿的方法。通过多次补偿后, 金属双极板精度得到明显的提高,误差控制在微米级范围。

  4、激光焊接变形抑制技术：金属双极板由于非常薄, 焊接过程中极易变形，怎么来控制焊接工艺使变形最小是极大的挑战。研发团队设计了合理的焊接变形操控方法，优化工艺参数与冷源参数，通过借助焊接温度及应力避免焊接变形问题，提升不锈钢板应力均衡性，自主开发了多工位焊接,保证在焊接过程中可以比较高效抑制焊接的变形。

  5、在线监控系统：燃料电池是无数单体电池串联而成，意味着每一单体电池都不能发生故障，要求100%完好无故障。研发团队根据金属双极板全生产流程,进行过程稳健设计,合理设计工艺过程,提高稳定性。并通过在线的监控系统,包括参数的控制,使整个生产的全部过程处于可控状态,为提高整个产品稳定性和保证尺寸、装配都有很好的效果。

  6、研究成果产业化。研发团队成立了自己的市场化运作的工厂，采用校企结合的模式使研究成果真正落地。工厂建立了中国首条金属双极板批量化生产线片,能够给大家提供单条线万片极板控制能力,为大批量制造打下了坚实基础。

  目前，交大燃料电池科研团队开发的高功率密度金属双极板已经在国内率先通过5000小时车载工况寿命考核，树立了国内金属极板市场上主导地位。成果也已经应用于中国首辆金属极板燃料电池轿车与客车和首个上汽P390型115kW车用全功率电堆开发上面，为上汽、东风、长城等国内金属极板燃料电池汽车开发提供了自主可控的核心技术，占据国内氢能源燃料电池市场的半壁江山以上。返回搜狐，查看更加多