12. 燃料电池双极板

• Chromium-Containing Films. • Chromium nitride
• Noble and Nonnoble Metal Coatings • Cost and rare
Fabrication of Metallic Bipolar Plates • stamping and hydroforming
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总结——关于双极板的学习
• 聚焦：1，材料 2.结构 • 材料：金属为主流，复合材料潜力巨大 • 结构（流道）：3D精微设计，达到一个反应更加充分的效果 • 工艺：应力等等的问题
基于丰田mirai燃料电池双极板
调研对燃料电池结构（双极板 为主）
Mirai简介
• Mirai使用了液态氢作为动力能源，液态氢被储存在位于车身后半 部分的高压储氢罐中。Mirai所使用的聚酰胺联线外加轻质金属的 高压储氢罐可以承受70MPa压力，并分别置于后轴的前后。液态 氢添加的过程与传统添注汽油或者柴油相似，但对于安全性和加 注设备具有独立的安全标准。充满Mirai的储氢罐大约需要3-5分 钟，在JC08工况下，Mirai的氢储量可以支持700公里续航里程。 减压后的液态氢进入位于乘员舱下方的燃料电池重，氢原子在燃 料电池阴极上的反应，释放电子从而产生电能。多个燃料电池的 串联使得输出电压达到使用的标准。
• One of the promising techniques in surface treatment of austenitic stainless steels is carburization.
• Another promising surface treatment technique is the utilization of highly conductive and corrosion resistant coatings.
Surface Treatments and Coatings
• There are a limited number of materials exhibiting a combination of high corrosion resistance and low interfacial contact resistance for use in PEM fuel cells. Furthermore, many of these metals are rare and prohibitively expensive. As a result, the search for surface treatments of inexpensive and widely available metals that are capable of enhancing their performance in fuel cell environments is well established and underway.
Bare Metals as Bipolar Plates
• Due to its low cost and favourable physical and chemical properties, stainless steel has become the primary candidate for bipolar plate construction. The formation of a passive oxide layer protects the plate from corrosion, but leads to higher interfacial contact resistance
• 优点：良好的导电导热性，耐腐蚀性 • 缺点：强度，气密性（上海交通大学燃料电池研究所采用真空加
压的方式,以硅酸钠浓溶液浸渍石墨双极板,减少了制造过程中的 气孔）
常见材料——composite material
• 优点：理化性质优秀 • 缺点：成本高，技术要求高，应用水平有待提高
常见材料——metallic meterial
• 优点：机械性能优异，成本低，来源广，能提供较大的动力密度 • 缺点：抗腐蚀性不佳
动力密度
• 金属双极板由于在同类技术中可以提供最好的动力密度，因此在 汽车应用中是作为首选的。这使得汽车制造商能够使用一台紧凑、 轻量且更易装进车里的发动机就可获取巨大的推动力。
抗腐蚀，高生产率，机械性能优异
• Metals, such as titanium and stainless steels, exhibit excellent mechanical properties and have very low gas permeation rates. They are also suitable for mass production with low scrap rates and are stable in a PEM fuel cell environment where low pH values are common
双极板在燃料电池中的作用
• 分离氧化剂与还原剂 • 收集电流 • 气体反应场所
双极板需解决的问题
• 充分反应 • 化学性能（抗腐蚀，最好能促反应） • 机械性能（主要是刚性，导电性，导热性和密度，导热性最好能
控制其保持在相对稳定的高效率状态下） • 成本
常见材料——Graphite Bipolar Plates
问题聚焦——metallic bipolar plates
• 多个燃料电池的串联使得输出电压达到使用的标准。——mirai
• 串联key——双极板
双极板
• 燃料电池发动机由大量相同的电池元件组成，每个电池元件由一 块双极板和一层催化剂镀膜总成，构成阴阳电极。双极板是燃料 电池堆中重要的性能元件，它负责把燃料和空气分配到两个电极 表面以及电池堆散热。因此，每个双极板都必须包括一个外部的 流动管道负责气体分配，和另一个独立的内部冷冻剂通道。每个 双极板还必须有稳固的密封措施，这样发动机堆中发动机液可以 分开控制。最后还必须要有一个导体表面或涂层使电阻损失最小 化。