[01678380]高功率密度燃料电池薄型金属双极板

“零排放、长航程”的氢燃料电池汽车是未来新能源汽车发展方向。双极板作为燃料电池电堆的两大关键部件之一,单车用量高达300-400片,占电堆总重的80%和成本的30%。采用超薄不锈钢板冲压制造金属双极板可以摒弃现有石墨极板细密流场的铣削模式,不仅可大幅度降低双极板成本,而且能显著提高电堆功率密度和抗震能力。但金属双极板面临氢、氧、水三个独立流场在狭小空间内高可靠密封与高均匀传质,数百层极板和膜电极叠装的界面接触高均匀性,酸性环境和大电流密度下极板表面高耐蚀高导电的技术挑战,成为国际燃料电池汽车制造的瓶颈问题。 本项目在国家自然科学基金、国家重点研发计划、上汽集团科技攻关等课题支持下,围绕薄型金属双极板三流场结构创成、大面积细密流场高精度高效制造、高耐蚀导电涂层制备等难题,建立了燃料电池薄型双极板设计与制造的系统技术方法,主要技术发明如下： 发明薄型金属双极板错层密封结构、两阶段气体分配流场的岛-槽复合结构,提出了“两板三场”的高功率密度燃料电池金属双极板新构型。构造冲压成形单极板流道的不等厚沟槽和间隙支撑桩,发明“两板三场”的薄型金属双极板错层密封结构,实现氢、氧、水“三进三出”流场传质的可靠密封;发明了双极板气体分配区的导流岛与主反应区的导流槽复合的两阶段流场结构,克服了大规模平行流场传质不均的难题;探明了层叠装配过程的极板尺寸偏差传递规律,建立了金属双极板尺寸公差设计方法;提出了类交指、类蛇形等5类薄型金属双极板新构型,使双极板比面积重量降低了30%,使我国燃料电池体积功率密度提升了50%。 发明单极板细密流场的成形误差预测补偿方法、双极板随动夹持-振镜扫描的激光焊接方法,形成了大面积金属双极板高精度控制技术与工装。建立不锈钢金属极板成形过程回弹预测模型,发明基于流场应力积分计算的极板细密流场成形回弹误差补偿方法,实现了极板成形凸模非线性精准修形;发明双极板随动夹紧定向释放焊接变形和激光光斑焊缝跟踪的振镜扫描新工艺,显著抑制了超薄板虚焊、焊穿以及焊接变形等缺陷;研制了双极板多工步成形及高速激光焊接系统,使金属极板流道高度偏差小于 10 m,焊接变形角小于1度,处于国际领先。 发明高耐蚀高电导的金属双极板石墨微晶涂层及其纳米孔抑制技术,研制了大容量磁控溅射石墨微晶涂层及钛基复合涂层连续线。采用闭合场非平衡磁控溅射的纳米膜层交替沉积工艺,通过20-30层纳米沉积形成内有高耐蚀铬钛、外有高导电非晶碳的复合涂层;通过交替沉积工艺抑制柱状晶,消除了微孔渗透腐蚀,接触电阻和腐蚀电流分布达到（2.89mΩ·cm2）和（0.85μA/cm2）的国际先进水平,使非晶碳涂层寿命提高5倍;钛基复合涂层金属极板在国内首次通过了车用5000小时寿命考核。 研究成果获37项国家发明专利（5项PCT专利）,发表论文50余篇,先后开发出12款车用燃料电池金属双极板,在上汽集团、一汽集团、东风汽车、国家电投、宇通客车等燃料电池汽车中成功应用,包括我国第一辆金属极板的燃料电池轿车与客车;支持了国内首个超过100kW的车用大功率电堆,开发新一代极板的电堆体积功率达3.3kW/L（丰田3.1 kW/L）。本项目累积制造20万余付金属双极板,占国内金属极板的90%以上,创造2.2亿的经济效益。文汇报以”产学研投资回报翻番“报道本项目研究成果,中国汽车技术发展报告2017和汽车蓝皮书2018对本项目技术进行了大篇幅报道,产生了广泛的社会影响。