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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 一種高效、低成本的質(zhì)子交換膜燃料電池用金屬雙極板
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作B類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 雙極板制造是質(zhì)子交換膜燃料電池市場(chǎng)化的核心與關(guān)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(wèn)題。本作品巧妙設(shè)計(jì)“三進(jìn)三出”極板構(gòu)型，大幅提高了電池功率密度；采用介觀尺度微細(xì)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(fù)合膜，大幅提升抗腐蝕能力的同時(shí)接觸電阻可與石墨雙極板相媲美，對(duì)于車(chē)用燃料電池推廣應(yīng)用具有重要意義。
- 詳細(xì)介紹：
- 作品來(lái)源 質(zhì)子交換膜燃料電池具有清潔、高效、能源可再生等特點(diǎn)，有望代替常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)成為未來(lái)汽車(chē)的主要?jiǎng)恿?lái)源，并可應(yīng)用到電子產(chǎn)品、航空航天、固定電站等多個(gè)領(lǐng)域，是“低碳經(jīng)濟(jì)”的理想形態(tài)之一。 質(zhì)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(diǎn)：1）制造成本高；2）材料脆，不適合環(huán)境惡劣的車(chē)載工況； 3）為保證機(jī)械強(qiáng)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(fù)合設(shè)計(jì)滿足燃料氣、氧化氣和冷卻水的流通，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)影響裝配質(zhì)量和電池性能；由于受目前極板成形工藝的限制，設(shè)計(jì)的流道尺寸大，反應(yīng)效率低，制造精度低；且極板防腐等方面缺乏實(shí)用技術(shù)。 針對(duì)這些問(wèn)題，本作品巧妙設(shè)計(jì)“三進(jìn)三出”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了金屬雙極板“一板三用”的功能，結(jié)構(gòu)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(duì)金屬極板多重腐蝕機(jī)理，研發(fā)了“階梯式”復(fù)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(zhì)子交換膜燃料電池的制造成本，提高燃料電池可靠性，同時(shí)提高其能量密度，從而促進(jìn)燃料電池的推廣應(yīng)用。 研究?jī)?nèi)容 本科技發(fā)明主要針對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題： (1)金屬雙極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)：燃料電池極板的流道設(shè)計(jì)，不僅影響極板的可成形性，而且決定著電池反應(yīng)效率。本作品綜合考慮流動(dòng)反應(yīng)的效率和可成形性，提取極板流道形狀的關(guān)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(shè)計(jì)模型，通過(guò)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(xì)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(fù)雜過(guò)程，會(huì)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(yīng)。所謂尺度效應(yīng)是指在介觀成形過(guò)程中，由于制品整體或者局部尺寸的微小化引起的成形機(jī)理以及材料變形規(guī)律表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)成形過(guò)程的現(xiàn)象。如何保證復(fù)雜的流道構(gòu)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(guān)鍵，但是目前并沒(méi)有適當(dāng)?shù)奈⒓?xì)沖壓工藝?yán)碚撝笇?dǎo)雙極板的設(shè)計(jì)和制造。因此，在金屬雙極板微細(xì)成形過(guò)程中必須充分考慮尺度效應(yīng)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(shù)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(xué)腐蝕機(jī)理，探索鍍層材料抗腐行為，兼顧腐蝕性能和接觸性能，通過(guò)分析、實(shí)驗(yàn)研究了多種表面處理工藝對(duì)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(duì)極板表面進(jìn)行改性處理。通過(guò)此方法對(duì)極板表面進(jìn)行工藝改性，大大增加了極板的抗腐蝕能力，同時(shí)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(dá)到了美國(guó)能源部（DOE）目標(biāo)（≤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(shí)也受到上海汽車(chē)工業(yè)集團(tuán)、神力科技股份有限公司的高度認(rèn)可（技術(shù)高度保密）。 (4)在測(cè)試電堆的裝配過(guò)程中，本作品同時(shí)對(duì)金屬雙極板連接工藝和裝配進(jìn)行了研究：燃料電池雙極板連接由復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的薄壁單極板連接，傳統(tǒng)的焊接方法存在焊縫表面質(zhì)量較差、焊接熱變形大及難以達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)等多方面問(wèn)題，目前采用的膠粘方法粘結(jié)均勻性、密封性難以保證，嚴(yán)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)模化生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)電堆內(nèi)部MEA與雙極板之間接觸壓力均勻，嚴(yán)重影響了整個(gè)電池的性能。本作品的測(cè)試電堆采用了自主設(shè)計(jì)的自動(dòng)化裝配工藝。 作品性能及效益 經(jīng)大連化學(xué)物理研究所燃料電池測(cè)試中心檢測(cè)，本科技發(fā)明的金屬雙極板關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，均超過(guò)美國(guó)能源部（DOE）指標(biāo)。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(qiáng)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(jìn)行測(cè)試，電池功率密度高達(dá)1270.8mW/cm2，文獻(xiàn)檢索表明，現(xiàn)有技術(shù)水平的質(zhì)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(duì)比，如果按每臺(tái)轎車(chē)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)500片雙極板計(jì)，以1千輛車(chē)為例，需要50萬(wàn)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(chǎn)，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(shí)，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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)500片雙極板計(jì)，與現(xiàn)有水平質(zhì)子交換膜燃料電池相比，保守計(jì)算相同工作條件下可增大發(fā)動(dòng)機(jī)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(chē)集團(tuán)公司和大連新源動(dòng)力股份有限公司簽署了關(guān)于上海汽車(chē)工業(yè)（集團(tuán)）公司“十二五”燃料電池汽車(chē)項(xiàng)目的三方開(kāi)發(fā)協(xié)議。將于2012年底完成全尺寸車(chē)用燃料電池金屬極板開(kāi)發(fā)，并進(jìn)行裝車(chē)驗(yàn)證，為我國(guó)開(kāi)發(fā)新一代高性能燃料電池汽車(chē)奠定基礎(chǔ)。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的 現(xiàn)有金屬雙極板存在流場(chǎng)尺寸大、制造精度低、反應(yīng)效率低及防腐能力差等問(wèn)題。本發(fā)明旨在實(shí)現(xiàn)構(gòu)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(zhǎng)的金屬雙極板，促進(jìn)車(chē)用燃料電池產(chǎn)業(yè)化。 基本思路 以0.1mm金屬薄板為材料，完成極板構(gòu)型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)；采用可大批量生產(chǎn)的介觀尺度沖壓成形工藝實(shí)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(shè)計(jì)自動(dòng)化電堆裝配工藝，實(shí)現(xiàn)極板性能評(píng)估。 創(chuàng)新點(diǎn) 1)巧妙設(shè)計(jì)“三進(jìn)三出”極板構(gòu)型實(shí)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(yáng)極板相同，僅需一副模具。 2)摒棄無(wú)法實(shí)現(xiàn)大量微細(xì)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(xì)化需求和制造中的尺度效應(yīng)，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(fù)合膜，采用非平衡磁控濺射工藝對(duì)極板進(jìn)行表面處理，使抗腐蝕能力超過(guò)美國(guó)能源部指標(biāo)、接觸電阻與石墨極板媲美。 技術(shù)關(guān)鍵 1)極板設(shè)計(jì)：權(quán)衡氣體反應(yīng)效率和極板可成形性，創(chuàng)新流場(chǎng)布局；2)極板成形：充分考慮尺度效應(yīng)，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(dá)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(wèn)題，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化裝配工藝。 技術(shù)指標(biāo) 接觸電阻12.5mΩ/cm2，厚度誤差13μm，腐蝕電流0.084μA/cm2，均大幅超過(guò)美國(guó)能源部指標(biāo)（見(jiàn)詳細(xì)介紹）。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1.金屬雙極板構(gòu)型“一板三用”：無(wú)需額外增加極板構(gòu)成冷卻水流場(chǎng)，提高電池體積功率密度，只需一副模具，制造成本和工藝復(fù)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(dá)1270.8mW/cm2（現(xiàn)有技術(shù)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(fù)合膜使金屬極板腐蝕電流密度降為0.084μA/cm2（美國(guó)能源部指標(biāo)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(wèn)題，開(kāi)發(fā)自動(dòng)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(tuán)和神力科技均表現(xiàn)極大興趣并簽訂合作協(xié)議（見(jiàn)附件）。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1.美國(guó)科惠力（Coherix）公司提供的“雙極板制造精度報(bào)告”，認(rèn)為本作品雙極板的制造精度達(dá)到世界同領(lǐng)域先進(jìn)水平。（見(jiàn)附件） 2.在上海市新能源汽車(chē)推進(jìn)辦公室舉辦的“高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化展”上，本作品金屬雙極板受到眾多好評(píng)。（見(jiàn)附件） 3.第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技作品競(jìng)賽本省市一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 本金屬雙極板已被上汽集團(tuán)采購(gòu)，在2012年底將完成全尺寸車(chē)用燃料電池金屬極板開(kāi)發(fā)，并進(jìn)行裝車(chē)試驗(yàn)。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓?zhuān)善烦鍪邸?/dd>
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品 、模型 、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片。
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn) 采用本金屬雙極板裝配的電池體積功率密度達(dá)2716W/L，質(zhì)量功率密度達(dá)2158W/Kg，均超過(guò)美國(guó)能源部指標(biāo)；雙極板構(gòu)型提高電堆緊湊性，降低工藝復(fù)雜性；采用介觀尺度沖壓成形工藝，實(shí)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(dòng)化裝配工藝，提高電池裝配可靠性和效率，并有利于規(guī)?；a(chǎn)。 適用范圍 基于金屬雙極板的質(zhì)子交換膜燃料電池零排放、比功率高、體積小，可廣泛應(yīng)用于交通工具、軍事、家庭、航空航天等領(lǐng)域，可以證明在其所有可能的應(yīng)用范圍內(nèi)，其性能可能已經(jīng)超過(guò)任何其他電能產(chǎn)生裝置。本作品金屬雙極板為其產(chǎn)業(yè)化提供了一條有效途徑。 市場(chǎng)分析 氫能被國(guó)際公認(rèn)為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵦娲茉?，基于金屬雙極板的質(zhì)子交換膜燃料電池符合市場(chǎng)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(chǎng)和經(jīng)濟(jì)效益，估計(jì)在近幾年內(nèi)雙極板的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)在2億元左右。
同類(lèi)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(yùn)用；石墨是多孔材料，雙極板需要幾毫米的厚度保證反應(yīng)氣體分離開(kāi)來(lái)，導(dǎo)致重量和體積較大。目前，金屬雙極板開(kāi)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(qiáng)度高、加工方式靈活、功率/體積比大等優(yōu)點(diǎn)，是今后燃料電池得以工業(yè)化生產(chǎn)的理想選擇。近年來(lái)，大多數(shù)國(guó)際知名汽車(chē)廠商都投入巨資進(jìn)行金屬雙極板的研究。如通用汽車(chē)在該項(xiàng)技術(shù)投入累計(jì)達(dá)幾億元。因此，推廣金屬雙極板是實(shí)現(xiàn)燃料電池的低成本制造必由之路，但金屬極板微細(xì)成形、極板防腐、極板連接工藝等方面缺乏實(shí)用技術(shù)。 金屬雙極板沖壓成形與設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀 極板的沖壓成形是一個(gè)典型的微細(xì)成形工藝，具有強(qiáng)烈的尺度效應(yīng)。但迄今為止，微細(xì)板料沖壓成形的研究還很不成熟，針對(duì)介觀尺度下金屬雙極板的沖壓成形并無(wú)理論依據(jù)，因此需要對(duì)介觀尺度雙極板沖壓成形展開(kāi)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(shí)，極板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究沒(méi)有考慮介觀尺度下氣體在微型流道中流動(dòng)特性和流道的可制造性，流道尺寸很大，影響電池反應(yīng)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(gè)方面:1)極板基體材料改性：2006年，美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用一種三明治結(jié)構(gòu)板材（不銹鋼薄板兩側(cè)軋制一層耐腐蝕鎳）來(lái)加工雙極板，但加工工藝復(fù)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(xué)采用TiN涂層進(jìn)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(lái)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(shí)滿足：兩種性能相互制約，單一涂層很難同時(shí)滿足要求，需要開(kāi)發(fā)復(fù)合涂層與基體改性工藝；2）涂層與金屬基體結(jié)合問(wèn)題：極板成形后表面應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，影響涂層與基體金屬的結(jié)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(zhì)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(shí)現(xiàn)電堆內(nèi)部MEA與雙極板之間接觸壓力均勻，嚴(yán)重影響了整個(gè)電池的性能。
