燃料電池雙極板表面改性技術
發表時間 2018-02-01 10:38 來源 本站原創

  ——助推我國新能源汽車科技創新及產業化進程

  記大連理工大學材料科學與工程學院/三束材料改性教育部重點實驗室林國強教授及其團隊

  質子交換膜燃料電池是氫能新能源汽車發動機的核心部件,而雙極板是質子交換膜燃料電池除了交換膜以外的另一個核心組成部分,占電池重量的70%以上,在電池總成本中也占接近一半,起到收集傳導電流、分隔氧化劑和還原劑以及支撐電池等作用。由于燃料電池特殊的工作環境,要求雙極板除了具有類似金銀等貴金屬的高導電性,像石墨一樣的強耐蝕性和像荷葉表面的疏水性外,同時還要具有高的機械強度、高的阻氣能力和低成本、易加工等特性。直接采用貴金屬制造雙極板將使燃料電池具有極高的成本價格,而直接采用石墨制造雙極板,又因撞擊安全性差而不宜用來制造汽車發動機所用的電池電堆。

  圖1 燃料電池汽車發動機系統布局示意圖

  對由商用金屬薄板制備的雙極板,比如不銹鋼雙極板,進行表面改性處理,使之同時具備導電、耐蝕、疏水和強化等性能,是打破質子交換膜燃料電池發展中的技術與成本瓶頸,促進燃料電池乃至新能源汽車產業化發展的關鍵技術手段。林國強教授及其團隊,就是一支針對燃料電池雙極板表面改性處理技術持續研究近二十年的創新團隊。

  圖2 質子交換膜燃料電池結構分體示意圖

  林國強教授,1963年生,本科、碩士和博士均畢業于大連理工大學材料科學與工程學院。碩士畢業后曾在企業工作十年,后被引進回大連理工大學三束材料改性教育部重點實驗室(原國家重點)工作至今。2012年-2016年被派到大連理工大學常州研究院任院長,專門負責學校在江蘇的科技成果轉化和產業化基地建設等工作。

  圖3 在實驗工作中的林國強教授

  林國強教授領導的創新團隊即大連理工大學三束材料改性教育部重點實驗室脈沖鍍膜與精密涂層研究室,由林國強教授的恩師——我國表面工程及清潔能源“太陽能泰斗”已故聞立時院士,于上個世紀九十年代創建,二十余年來一直從事載能束材料表面改性和薄膜科學技術方面的研發工作,為我國培養表面工程技術領域的尖端技術人才近百名,承擔國家自然科學基金、863、重點研發、國防軍工、省市級重大公共技術平臺建設等各類項目數十項,對四代硬質及超硬涂層材料開發、脈沖偏壓PVD的工藝基礎研究和精密涂層制備工藝、裝備開發等具有突出貢獻,并對行業影響深遠。



圖4 燃料電池電堆金屬雙極板表面改性相關處理流程示意圖

  而在面對我國在氫能新能源汽車技術的重大需求上,林國強教授團隊在燃料電池雙極板改性專用耐蝕導電精密涂層的材料、工藝及裝備開發上,一直持續專注研究開發近二十年,為我國氫能新能源汽車從原創到產業化全過程的自主創新起到關鍵的技術支撐作用。團隊自十五期間起就聯合中國科學院大連化學物理研究所和新源動力股份有限公司,在衣寶廉院士的引導下一起承擔我國車用燃料電池金屬雙極板的開發任務,對于完成同期國家燃料電池方面的專項課題起到了技術支撐作用。十一五期間在863項目“低成本雙極板及其制備技術2007AA03Z221”的資助下,在表面改性工藝及涂層材料上取得突破,用脈沖偏壓電弧離子鍍技術涂鍍碳鉻納米復合薄膜進行表面改性處理的不銹鋼雙極板,在導電、耐蝕及疏水等性能指標上均達到國際領先水平。十二五期間,在863重大項目“面向示范和產品驗證車用燃料電池系統開發2011AA11A271”子課題“燃料電池雙極板表面改性與生產工藝研究”,及江蘇省重大創新載體、常州市重大公共技術服務平臺建設項目的資助下,在表面改性產業化裝備及量產工藝上取得突破,經批量處理的不銹鋼雙極板在千瓦級車用燃料電池電堆運行環境下性能表現優異,并能滿足美國能源部提出的雙極板性能要求,已成功應用于我國某汽車集團公司的燃料電池汽車項目。進入十三五后,團隊又承擔新一輪的國家重點研發課題“金屬雙極板涂層改性材料及制備技術2016YFB0101206”和“高穩定性高品質金屬雙極板表面改性量產工藝開發2016YFB0101318”,目前在第二代改性涂層材料和制備工藝,尤其是第二代大型量產裝備開發上取得重要進展,預期在項目完成時將使我國擁有完全自主知識產權的雙極板改性處理連續生產萬片級/年的專用設備及工藝技術,使我國的雙極板改性量產裝備及生產水平升級達到國際水平,以滿足我國新能源汽車產業化發展的爆發性需求。

  圖5 開發出的脈沖偏壓電弧離子鍍金屬雙極板涂層改性大型專用設備

  燃料電池金屬雙極板表面改性技術是典型的綠色鍍膜技術,除了直接應用于車用燃料電池電堆的制造以外,因表面改性層材料具有比銀還好的導電性能,可大大降低電極表面的接觸電阻,因此在鋰離子電池極板的表面處理上也具有應用前景;在電子信息產業的各種接插件方面,可替代那些電鍍金、銀如金手指等高端接插件的表面處理技術;以及用于解決電工行業大容量電源電器中銅排、鋁排搭接部位及各種觸點開關的接觸電阻過高而引起的一系列問題。又因表面改性層材料還具有與石墨相當的耐蝕性能和很好的疏水性能,因此上述應用可從陸地延伸到海洋,解決島礁及艦船上電器關鍵部件長期穩定工作的問題。此外,還可延伸到電解水制氫行業,用來制造電極板,解決電極板壽命短成本高等問題。



圖6 耐蝕導電精密涂層技術應用領域示意圖

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