不锈钢应用
STAINLESS STEEL application

不锈钢应用

不锈钢在燃料电池双极板中的应用
来源: | 作者:Emma | 发布时间: 2024-05-13 | 1089 次浏览 | 分享到:



   Stefan Lindner:奥托昆普的首席技术经理,负责奥托昆普的技术市场开发,专注于交通运输应用,特别是汽车工程和动力总成替代解决方案。

   越来越多的人认识到氢作为“未来燃料”的重要性。事实上,一些人已经对欧洲氢经济进行了预估,约价值20亿欧元,并预测到2030年将增长至1400亿欧元,其增长主要取决于以燃料电池为驱动的电动汽车能否成为一种可行的交通运输工具。奥托昆普首席技术经理Stefan Lindner解释说,不锈钢在大规模生产燃料电池组的核心双极板中发挥着重要作用。

   低温燃料电池

   燃料电池的原理是反向电解的过程。电解是电流通过水分解成氢和氧 ,而燃料电池是让氢和氧发生反应产生电流和清洁的水。

   根据工作温度不同,适用不同类型的燃料电池,对于交通运输行业的应用,低温设计是最为关注的,特别是聚合物电解质膜燃料电池,因其1kg /kW的高功率密度和灵活性,具有成本低,体积小,重量轻的特点。双极板是聚合物电解质膜燃料电池的基本元件 (见图1) 。

图1-双极板是聚合物电解质膜燃料电池的基本元件

   通过双极板,将氢气和氧气分别输送到阳极和阴极,使它们隔着电解质膜紧密相连,互相发生反应,在交通运输行业应用的燃料电池中,电解质膜非常薄,甚至只有20µm左右。这些板必须携带产生的电流,并管理反应时产生的水和热。

   通常,单个聚合物电解质膜燃料电池的功率只有1V。为了获取应用所需的系统功率,一般需要将200-400个电池进行堆叠使用。

图2-完整的燃料电池,通常由200-400个单独的双极板堆叠组成

   严格的材料标准

   如图3所示,在双极板的表面通过加工或冲压形成的复杂通道图案,相当于一个“流场” ,使氢气和氧气可以通过膜电极组件,该板还兼具用于液体冷却的内部通道。

图3-双极板的特点是在其表面形成了复杂的通道图案

   双极板对材料的要求极具挑战性,不仅需要保障气体的不渗透性和密封性,还要具有良好的导电性,导热性以及较高的机械强度。通常使用的材料包括石墨、复合材料和金属。

   成形性

   在早期的聚合物电解质膜燃料电池中,通过数控机床加工制成的石墨双极板,受到大家的普遍认同,但其产量相对较低,且成本高,加工过程复杂,制造商不得不寻求更具成本效益的替代品,以进行大规模的生产。

   不锈钢是最具竞争力的替代品,奥托昆普的研究表明, Supra 316L/4404是目前最合适的材料,其钼合金奥氏体等级提供了导电性能、高耐腐蚀性、优异的成形性和高强度,是双极板材料的理想选择。

   不锈钢虽然具有天然的耐腐蚀性能,但是与电解质膜接触的板侧仍然需要涂覆。尽管涂层只有5µm左右,但是对于腐蚀性很强的电解质,可以保护基层免受侵害的同时提供较高的导电性,在这方面,与同样需要涂层的钛相比,不锈钢具有绝对的竞争优势。

   良好的成形性是不锈钢的一个关键优势,这使得在非常薄的双极板上,仍然可以进行精确,重复的压制,包括在其表面制作出的复杂流动通道,其要求十分严苛,目前最深的通道仅有0.1mm,事实上,技术方面已经实现了0.075mm,但我们仍然在研究0.05mm的可行性。

   储罐和管道

   不锈钢也可以使用在燃料电池系统中的其他重要部件,例如储氢装置和将氢气输送到燃料电池的管道。因具有延展性和韧性,不锈钢也可以用作耐压罐的内部容器或衬里材料,帮助氢气实现安全,密闭的存储。

   储罐和管道中的高压可能会引发材料的氢脆,从而导致开裂。奥氏体的微观结构具有良好的抗氢脆性能,在这方面优势明显。

   不锈钢为氢能源提供动力支持

   燃料电池可以帮助交通运输行业脱碳。挑战在于,如何将经过验证的小批量生产技术进行规模化生产,从而应用到大众市场。不锈钢提供了巨大的潜力,以不锈钢为材料制作出的双极板具有成本效益,经久耐用,性能优异,非常适合规模化生产。

   不锈钢因具有长寿命,100%可回收的特点,是可持续解决方案的理想材料,奥托昆普生产的不锈钢中,超90%的原料都来源于废料。