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双极板作用包括:支撑MEA,分隔各单电池,分隔阴极、阳极反应气体,防止其相互混合,提供电气连接,输送反应气体并使之均匀分配,传导反应热量,去除水副产物,承受组装预紧力。
双极板可以分为石墨双极板、金属双极板以及复合材料双极板。这三种材料的双极板各有优劣。前几年,石墨双极板是比较常用的双极板材料,但由于在批量生产时,金属双极板的生产成本相对较低,同时,大功率的金属双极板电堆比石墨双极板电堆在体积方面要小得多,因此,近年来金属双极板的应用越来越广。
金属板电堆在功率、功率密度、重量、体积、抗振、批量制备和冷启动等方面优势明显。并且,实测证明金属板电堆的寿命不一定比石墨板电堆寿命短。金属双极板基体材料主要包括不锈钢、铝、钛合金。
金属双极板基本工艺主要包括成型、切割、激光焊接、涂层与密封。
制造燃料电池金属双极板时,带材的选择一般有两种,一种是预先做过涂层处理的带材,一种是未经涂层处理的带材。金属双极板在生产过程中使用未经涂层处理的不锈钢带材居多。以Interplex公司的双极板制造为例,其使用的带材材料为SUL不锈钢,厚度为0.~0.1mm。成型与分割:带材清理后,便会进行成型和分割,生产出阴极板和阳极板。各双极板厂商的成型方式和流程可能会有所不同。冲压工艺是用压力装置和刚性模具对板材施加一定的外力,使其产生塑性变形,从而获得所需形状或尺寸的一种方法。
液压成型工艺是一种利用液体或模具作为传力介质加工成产品的一种塑性加工技术,液压成型原理图下图所示。与冲压工艺相比,液压成型的模具需求量少(只需要一套模具)。液压成型在尺寸和表面质量方面优于冲压工艺,而冲压工艺具有较高的生产率。部分厂家也会使用一些其他的成型方式,如橡胶垫成型工艺。橡胶垫成型工艺,也称为柔性成型工艺,是一种用于微/中型流道成型的新型冲压方法,该方法可以解决冲压和液压成型过程中可能出现的裂纹、皱纹和表面波纹等问题。橡胶垫成型工艺的优势在于,橡胶垫和刚性模具不需要在成型过程中精确组装,从而可以大大减少时间和成本。这种成型的主要缺点是橡胶垫的使用寿命短,需要经常更换。另外,有些厂商在小批量生产时也常常采用机加工方式或蚀刻的方式使双极板成型。蚀刻是将材料使用化学反应或物理撞击作用而移除的技术。蚀刻技术可以分为湿蚀刻和干蚀刻两类。蚀刻最早可用来制造铜版、锌版等印刷凹凸版,也广泛地被使用于减轻重量(WeightReduction)仪器镶板,铭牌及传统加工法难以加工之薄形工件等的加工;经过不断改良和工艺设备发展,亦可以用于航空、机械、化学工业中电子薄片零件精密蚀刻产品的加工,特别在半导体制程上,蚀刻更是不可或缺的技术。质量检测:单片的极板制造完成后,需对每片极板进行质量检测,判断脊和沟的尺寸、厚度和误差等各项数据是否满足设计要求。激光焊接:满足质量要求的阴、阳极板通过激光焊接焊接固定在一起,构成一个完整的双极板,经过焊接后,焊缝会将双极板的冷却剂腔体完全密封。双极板的激光焊接时,激光束沿着双极板周边设计好的密封槽进行焊接,激光行经之处,焊缝将阴阳极板连接起来。焊接后,会将双极板的冷却剂腔完全密封,最后还会对其进行密封性能检测。涂层处理:目前有金属板涂层有两大方向,一是金属板上石墨涂层,石墨涂层控本价格比较低,也是涂层未来长久的方向,目前国内绝大部分民用氢堆用的比较多;另一是金属板上贵金属涂层(金,铂金),涂层价格比较高,相对耐腐蚀也会更高些,国家空间站航天等军用比较多。密封:在双极板上设计好的密封槽内填入密封材料。不同厂家的设计都会有所不同,有的厂家使用定制的密封圈圈贴上双极板。有的厂家通过点胶密封,还有的厂家使用与GDL集成在一起的密封圈。燃料电池的“高功率密度、大功率输出、长寿命运行、低成本制造”是长期制约燃料电池汽车规模化推广的国际性难题,这四项要求均需要靠金属双极板来保证,为此要求金属双极板必须做到:厚度尽可能薄、加工精度高、耐腐蚀性强和生产效率高。这也是金属双极板制造的四大难题。国内目前金属相关厂商有如下:
大连新源动力
上海骥翀氢能科技有限公司
上海捷氢科技有限公司
上海治臻新能源股份有限公司
西部材料
北京新研创能
安泰环境
北京氢璞创能科技有限公司
博远(山东)新能源科技发展有限公司
航天氢能(上海)科技有限公司
三佳机械(上海)有限公司(模具)
上海佑戈金属科技有限公司
浙江菲尔特
安徽明天氢能科技股份有限公司
湖南振邦氢能科技有限公司
磐吉奥湖南工业有限公司
珠海格力电器股份有限公司
佛山市清极能源科技有限公司
深圳市雄韬电源科技股份有限公司
航天氢能(上海)科技有限公司
上海氢晨新能源科技有限公司
上海空间电源研究所
国家电投集团氢能科技发展有限公司
爱德曼氢能源装备有限公司
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