在今天會議上,雄韜股份中央研究院楊驕博士發表了“燃料電池金屬雙極板材料與涂層研究”的主題演講。主要包括:燃料電池雙極板功能特點、燃料電池雙極板分類、金屬雙極板鍍層研究進展、金屬雙極板鍍層未來研究路線;詳細見PPT。在看本文前,歡迎識別二維碼申請加入氫燃料電池微信群:
1.燃料電池雙極板功能特點
隨著市場對大功率金屬堆需求的增加,金屬板的市場應用在快速擴大。從技術角度來看,金屬板在抗彎、抗壓強度、導電性、批量生產等方面有著顯著的優點,但也有一些缺點需要去克服,最典型的是腐蝕性能比較差,仍然需要尋找更合適的鍍層方案提高耐腐蝕性。
燃料電池雙極板功能特點
雙極板的功能是提供氣體流道,防止電池氣室中的氫氣與氧氣串通,并在串聯的陰陽兩極之間建立電流通路。雙極板是燃料電池重要部件之一,其重量約占PEMFC電堆的80%,成本約占24%。
燃料電池雙極板是電堆中的“骨架”,與膜電極層疊裝配成電堆,在燃料電池中起到單電池鏈接、輸送燃料、電流收集和傳導、支撐電堆和MEA、排除反應產生的熱量、排出反應產生的水等重要作用。
在保持一定機械強度和良好阻力作用的前提下,雙極板厚度應盡可能地薄,以減少對電流和熱的傳導阻力。
2.燃料電池雙極板分類
燃料電池雙極板分類
目前市場上氫燃料電池的雙極板材料有石墨、金屬和復合材料三類。相較于石墨板和復合板一般用于中、低功率電堆,金屬板則因其在超薄狀態下的成形性能優于其他材料,在高功率電堆中越來越得到重用。
具體來看,金屬板的制備包括極板構型設計、精密模具設計與加工、超薄板精密成型、長壽命復合納米涂層、一體化密封技術等,其中金屬板的基材及鍍層的選擇值得關注。
主要有石墨板,復合板,金屬板,同時對比了各種材料的優劣勢。
3.金屬雙極板鍍層研究進展
(1)制作步驟
(2)不同金屬板鍍層的性能對比
金屬雙極板鍍層研究進展金屬雙極板表面鍍層材料主要有:導電聚合物復合材料、貴金屬表面修飾材料、氮摻雜或碳基合金材料。一般金屬雙極板基材包括:不銹鋼、鈦、鎳、鋁。從化學穩定性、成本、可加工性、機械強度、耐蝕性、熱導率、電導率等維度對比這些基材,可以看到不銹鋼基材有優異的導電導熱性能,以及很高的力學性能。同時制造及加工成本也比較低,這也是大部分廠商選擇不銹鋼基材的一個原因。
但不銹鋼基材也有一些缺陷需要克服,比如在酸性條件下耐蝕性較差,離子析出損傷PEM性能,表面氧化膜會導致接觸電阻(ICR)較大。
(3)金屬板鍍層的腐蝕機理:應力腐蝕與電化學腐蝕
耐腐蝕性是金屬板非常重要的一個性能。腐蝕是怎么產生的?主要來源于應力腐蝕,以及化學腐蝕與電化學腐蝕。應力腐蝕是指在沖壓生產過程中,導致的應力集中,從而產生位錯、空位、晶界等;化學腐蝕與電化學腐蝕主要有縫隙腐蝕與點腐蝕,主要發生場所是表面的顆粒、附著物、夾雜物及金屬間化合物。所以需要鍍層去改善整個基材的性能。
(4)鍍層工藝,PVD,PECVD,CVD,化學鍍,熱浸鍍,電鍍等
鍍層有金屬鍍層、碳膜鍍層、氮化物膜、碳化物膜。其中碳膜鍍層:交替基底偏壓沉積法:以15個交替周期沉積的涂層在 0.6 V 電勢下,涂層厚度為242 nm,腐蝕電流密度為 0.297 μA/cm2,ICR 值為 3.58 mΩ·cm2;多層碳基涂層改性雙極板,可有效減少涂層缺陷而提高極板的耐腐蝕性能
(5)金屬板鍍層的影響因素,如溫度,pH值,F-離子濃度,CL-離子濃度,氫氣濃度和壓力,電勢,啟/停工況,順勢電勢等。
鍍層影響因素可以主要分為工作環境、工作條件兩大類。在電堆運行的過程中,溫度、PH值、氫氣濃度及壓力等改變都會影響它的性能;包括電勢、啟/停工況、瞬態電勢等也會對它有一定的影響。所以需要去優化鍍層結構,以提高整個電堆的性能。
4.金屬雙極板鍍層未來研究路線
1)、高導電、高耐腐蝕涂層——基本要求;2)、合適硬度—提高穩定性;3)、超薄—降低體電阻;4)、低成本、批量化制備—推進金屬板商用進程。
演講的最后,楊驕博士指出:制備高導電、高耐腐蝕涂層,這是金屬板鍍層最基本的要求。另外尋找合適的硬度,可以提高整個電堆的穩定性;鍍層做得越薄,可以降低電阻;低成本、批量化制備則可以推進金屬板的商用進程。
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原文始發于微信公眾號(艾邦氫科技網):雄韜股份中央研究院:燃料電池金屬雙極板材料與涂層研究(干貨滿滿)