基于专利数据的中外氢燃料电池重点技术发展方向分析

氢燃料电池是氢能的重要应用场景,无论是全球范围内还是在中国,氢燃料电池设计与制造的专利申请量,在氢能源领域各个技术分支中占比都是最大的,成为氢能领域的热点研发方向。目前针对氢燃料电池的研究主要集中在催化剂、质子交换膜、双极板、扩散层、密封及相关零部件、控制系统六大部分,其中双极板技术相对其他技术方向专利申请量一直处于高位,是氢燃料电池技术的重点研发方向。丰田公司以绝对优势位列双极板专利申请量第一位,我国只有两家机构单位在双极板领域进入申请量全球排名前20位。丰田公司的技术研发方向主要集中在双极板表面涂层技术、材料研发、精密成型、流场设计优化等方面,其材料研发多集中在金属材质。而我国龙头企业更趋向于传统材料性能提升以及优化生产方法以提高生产效能,在精细化加工方面投入较少,专利申请分散,缺乏布局策略,且在技术研发上与其他氢燃料电池汽车公司合作较少。我国创新主体应持续针对关键技术“补短板”,填补国内外空白,引入国际先进氢燃料电池相关技术产品,聚焦高端产业化方向,围绕核心技术进行专利布局。

燃料电池发动机用金属流场板电堆性能的试验研究

对某型金属流场板燃料电池电堆进行了性能试验,对其特性曲线和单电池一致性进行了分析。结果表明,该电堆最大功率27.5 kW,对应电压78 V,单电池一致性随着电流负载的增大而下降。对比该电堆与某石墨流场板燃料电池电堆表明,在相同电流密度下前者单电池电压低于后者,但单电池一致性比后者好。

采用硅和PDMS的堆栈式微型直接甲醇燃料电池的设计和制作

在堆栈式微型直接甲醇燃料电池μ-DMFC(Micro-Direct Methanol Fuel Cell)中,为了避免硅基流场板因为封装压力过大而破裂,采用了硅和PDMS(Polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)材料分别制作阳极和阴极流场板。首先,采用微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术制作硅基阳极流场板。其次,通过铜箔与阴极流场板一体成型、有机清洗和PDMS表面活化等改进措施显著提升了PDMS阴极流场板金属化的能力。最后,比较和分析阳极流场板上3种不同结构的流道形式的堆栈式μ-DMFC的输出性能。实验结果表明,活化后的PDMS阴极流场板与Cr/Au的粘附性能和粘接强度显著提高,同时阳极流场板的流道一半开设为凸台,一半开设为通孔时,其堆栈式μ-DMFC的输出性能最优。最大输出电流密度为81.25 mA/cm2,最大输出功率为7.73 mW/cm2。采用硅和PDMS材料分别制作流场板,不仅简化了堆栈式μ-DMFC的结构,而且能够缓冲锁紧力,有效保护硅基阳极流场板。同时优化阳极流场板上的流道结构,能够有效提升堆栈式μ-DMFC的输出性能。

PEMFC薄金属流场板冲压成形有限元模拟

流场板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的重要元件之一。寻求一种操作成本低,容易批量生产的金属流场板加工方法,板料冲压成形是最佳候选。基于弹塑性有限元变形理论,采用有限元软件DYNAFORM建立质子交换膜燃料电池流场板冲压成形过程有限元模型。分析了变形过程中应变、厚度分布情况模拟结果验证了板料冲压成形应用在金属流场板加工上的可行性。

模板电解金属双极板表面流道的试验研究

随着燃料电池微型化的发展趋势,金属材料制成的双极板成为未来双极板发展的主要方向。以加工双极板表面多通道蛇形流道为例,提出采用模板电解加工金属双极板上的微流道结构。建立模板电解加工间隙内电场的数学理论模型,并利用有限元软件对模板电解加工微流道的成形过程进行模拟,研究加载电压对模板电解加工过程中阴阳极表面电场分布的影响。搭建模板电解试验平台,通过试验研究直流和脉冲加载电压对流道形貌和定域性的影响。模拟与试验结果表明,采用脉冲小电压可减小流道的杂散腐蚀,提高模板电解加工的定域性。

燃料电池金属双极板设计与成形技术综述

氢燃料电池具有清洁、高效等诸多优点,受到了世界各国的高度关注,极板是其重要部件之一。综述了质子交换膜氢燃料电池金属双极板设计、成形等方向的研究和应用进展。在金属双极板设计方向,从极板平面流场分布设计、3D流场设计、考虑电堆结构的极板流场设计以及微流道尺寸优化设计等方面进行综述;在金属极板成形方向,从刚模冲压成形、软模冲压成形以及成形质量与电池性能相关性等方面进行综述。最后,结合笔者对行业的调研和理解,对未来金属极板的方向发展进行了展望。

金属泡沫流场极板组研究进展与展望

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)是一种清洁无污染、热效率高、能量密度高的能源装置。极板组是PEMFC的核心部件,其内部流场承担着气体均匀分布、水热管理、传导电子的重要作用。由于金属泡沫流场内部是细微通孔结构,可以提高气体传输均匀性和改善水热管理等性能。本文综述了金属泡沫流场极板组的研究进展,分析探讨了金属泡沫流场的尺寸和孔隙率对气体传输、电子传输和水热管理等方面的影响,同时展望了在现有研究较为成熟的疏水涂层中加入金属颗粒、使用复合型金属泡沫流场和优化通孔结构等方式来提高电导率和排水性能,减缓腐蚀的研究方向。