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燃料电池双极板表面改性技术
发表时间 2018-02-01 10:38 来源 本站原创

  ——助推我国新能源汽车科技创新及产业化进程

  记大连理工大学材料科学与工程学院/三束材料改性教育部重点实验室林国强教授及其团队

  质子交换膜燃料电池是氢能新能源汽车发动机的核心部件,而双极板是质子交换膜燃料电池除了交换膜以外的另一个核心组成部分,占电池重量的70%以上,在电池总成本中也占接近一半,起到收集传导电流、分隔氧化剂和还原剂以及支撑电池等作用。由于燃料电池特殊的工作环境,要求双极板除了具有类似金银等贵金属的高导电性,像石墨一样的强耐蚀性和像荷叶表面的疏水性外,同时还要具有高的机械强度、高的阻气能力和低成本、易加工等特性。直接采用贵金属制造双极板将使燃料电池具有极高的成本价格,而直接采用石墨制造双极板,又因撞击安全性差而不宜用来制造汽车发动机所用的电池电堆。

  图1 燃料电池汽车发动机系统布局示意图

  对由商用金属薄板制备的双极板,比如不锈钢双极板,进行表面改性处理,使之同时具备导电、耐蚀、疏水和强化等性能,是打破质子交换膜燃料电池发展中的技术与成本瓶颈,促进燃料电池乃至新能源汽车产业化发展的关键技术手段。林国强教授及其团队,就是一支针对燃料电池双极板表面改性处理技术持续研究近二十年的创新团队。

  图2 质子交换膜燃料电池结构分体示意图

  林国强教授,1963年生,本科、硕士和博士均毕业于大连理工大学材料科学与工程学院。硕士毕业后曾在企业工作十年,后被引进回大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室(原国家重点)工作至今。2012年-2016年被派到大连理工大学常州研究院任院长,专门负责学校在江苏的科技成果转化和产业化基地建设等工作。

  图3 在实验工作中的林国强教授

  林国强教授领导的创新团队即大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室脉冲镀膜与精密涂层研究室,由林国强教授的恩师——我国表面工程及清洁能源“太阳能泰斗”已故闻立时院士,于上个世纪九十年代创建,二十余年来一直从事载能束材料表面改性和薄膜科学技术方面的研发工作,为我国培养表面工程技术领域的尖端技术人才近百名,承担国家自然科学基金、863、重点研发、国防军工、省市级重大公共技术平台建设等各类项目数十项,对四代硬质及超硬涂层材料开发、脉冲偏压PVD的工艺基础研究和精密涂层制备工艺、装备开发等具有突出贡献,并对行业影响深远。



图4 燃料电池电堆金属双极板表面改性相关处理流程示意图

  而在面对我国在氢能新能源汽车技术的重大需求上,林国强教授团队在燃料电池双极板改性专用耐蚀导电精密涂层的材料、工艺及装备开发上,一直持续专注研究开发近二十年,为我国氢能新能源汽车从原创到产业化全过程的自主创新起到关键的技术支撑作用。团队自十五期间起就联合中国科学院大连化学物理研究所和新源动力股份有限公司,在衣宝廉院士的引导下一起承担我国车用燃料电池金属双极板的开发任务,对于完成同期国家燃料电池方面的专项课题起到了技术支撑作用。十一五期间在863项目“低成本双极板及其制备技术2007AA03Z221”的资助下,在表面改性工艺及涂层材料上取得突破,用脉冲偏压电弧离子镀技术涂镀碳铬纳米复合薄膜进行表面改性处理的不锈钢双极板,在导电、耐蚀及疏水等性能指标上均达到国际领先水平。十二五期间,在863重大项目“面向示范和产品验证车用燃料电池系统开发2011AA11A271”子课题“燃料电池双极板表面改性与生产工艺研究”,及江苏省重大创新载体、常州市重大公共技术服务平台建设项目的资助下,在表面改性产业化装备及量产工艺上取得突破,经批量处理的不锈钢双极板在千瓦级车用燃料电池电堆运行环境下性能表现优异,并能满足美国能源部提出的双极板性能要求,已成功应用于我国某汽车集团公司的燃料电池汽车项目。进入十三五后,团队又承担新一轮的国家重点研发课题“金属双极板涂层改性材料及制备技术2016YFB0101206”和“高稳定性高品质金属双极板表面改性量产工艺开发2016YFB0101318”,目前在第二代改性涂层材料和制备工艺,尤其是第二代大型量产装备开发上取得重要进展,预期在项目完成时将使我国拥有完全自主知识产权的双极板改性处理连续生产万片级/年的专用设备及工艺技术,使我国的双极板改性量产装备及生产水平升级达到国际水平,以满足我国新能源汽车产业化发展的爆发性需求。

  图5 开发出的脉冲偏压电弧离子镀金属双极板涂层改性大型专用设备

  燃料电池金属双极板表面改性技术是典型的绿色镀膜技术,除了直接应用于车用燃料电池电堆的制造以外,因表面改性层材料具有比银还好的导电性能,可大大降低电极表面的接触电阻,因此在锂离子电池极板的表面处理上也具有应用前景;在电子信息产业的各种接插件方面,可替代那些电镀金、银如金手指等高端接插件的表面处理技术;以及用于解决电工行业大容量电源电器中铜排、铝排搭接部位及各种触点开关的接触电阻过高而引起的一系列问题。又因表面改性层材料还具有与石墨相当的耐蚀性能和很好的疏水性能,因此上述应用可从陆地延伸到海洋,解决岛礁及舰船上电器关键部件长期稳定工作的问题。此外,还可延伸到电解水制氢行业,用来制造电极板,解决电极板寿命短成本高等问题。



图6 耐蚀导电精密涂层技术应用领域示意图