全钒液流电池双极板材料研究进展

全钒液流电池是目前技术成熟度最高的一种液流电池,作为大规模长时储能的首选技术之一,可以实现可再生能源平滑输出,为高比例可再生能源并网应用提供保障。其中,双极板是全钒液流电池的关键部件之一。本文从三种全钒液流电池双极板材料耐腐蚀性、导电性、力学性能及电池特性等角度,首先综述了金属、石墨以及碳塑复合双极板材料的优缺点及其最新研究进展,并根据加工工艺和制造成本两方面,展望了三种双极板材料在全钒液流电池领域的应用前景。然后,结合新型液流电池双极板的结构优化研究,从双极板平板结构扩展到双极板流道和电极-双极板一体化结构,分析介绍了不同新型双极板流道结构设计在不同试验条件下的适用性,并从制备工艺和电池性能等方面分析了电极-双极板一体化结构在全钒液流电池领域中的应用前景。最后,针对全钒液流电池双极板的研究现状,总结展望了相应双极板材料及新型双极板结构设计的技术突破要点,为全钒液流电池双极板的未来发展提供了参考和依据。

质子交换膜燃料电池双极板用钛材研究进展

简要介绍了质子交换膜燃料电池(PEMFC)双极板材料分类和钛双极板使用优势。着重阐述了国内外钛双极板材料发展与应用现状。对PEMFC双极板用钛材的发展趋势进行了预测。

电解槽双极板涂层材料专利现状

氢能是绿色能源,具有能量密度高、来源、用途广等优势,是可储存的二次能源。现有的制氢技术包括天然气制氢、甲醇制氢、水电解制氢、水煤气制氢等。其中水电解制氢技术成熟,场地受限性小,设备简单、运行可靠,不产生污染,备受重视。通过水电解制氢,可以实现零碳排放,有助于实现“碳达峰”和“碳中和”的双碳目标。

不锈钢双极板高速冲击成形仿真分析

为探究在不均匀速度下高速冲击的不锈钢双极板变形情况及成形规律,结合箔片气化冲击成形的板料速度场分布,运用LS-DYNA建立不锈钢双极板高速冲击成形有限元仿真模型,分析了该成形工艺下不锈钢双极板的动态变形过程,研究了不均匀冲击速度对双极板流道成形质量的影响。结果表明,不锈钢双极板冲击成形的最小初始冲击速度为350 m·s^(-1),流道脊处的减薄率最大,其余部位减薄率小于30%,随着初始冲击速度的增加,双极板成形深度稳定在0.78 mm以上,填充率稳定在95%。但受限于速度场的不均匀性,单次成形有效区域有限,仿真结果表明多道次成形能够形成一致性较好的多通道不锈钢双极板,最后,通过多道次箔片气化冲击成形实验验证了仿真结果。

PEMFC金属双极板氮化物涂层的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)金属双极板具有机械强度高、易加工、成本低等优势,但其在PEMFC的酸性环境中容易被腐蚀,从而会对其寿命及导电性产生不利的影响。通过采用氮化物涂层改性的双极板表面结构会变得更加致密,能够提高基体的耐腐蚀性能,从而提高燃料电池的工作寿命。本文从氮化物涂层的种类出发,回顾了近年来氮化物涂层的研究进展。然后介绍了涂层常见的制备方法,同时对其原理进行了分析,对不同的方法制备出的氮化物涂层进行了分析对比。随后总结了不同种类涂层的特点及存在的问题,对不同种类的涂层的耐腐蚀性能进行了比较。最后指出了氮化物涂层存在的问题,并对其未来的发展方向进行了展望。

不锈钢双极板等离子喷涂TiC涂层耐腐蚀性研究

为了提高质子交换膜燃料电池(PEMFC)双极板的耐腐蚀性,采用大气等离子喷涂技术(APS)制备TiC涂层,利用扫描电镜、X射线衍射仪表征涂层的形貌与组织,采用动电位极化、恒电位极化、电化学阻抗谱等方法研究了3种不同电流制备的TiC涂层在PEMFC环境中的耐腐蚀性能。结果表明:TiC涂层的腐蚀电流密度比不锈钢基体低了1个数量级,表明该涂层可以有效提高316L不锈钢的耐腐蚀性。随着喷涂电流的增大,500 A的涂层显示出了最佳的耐蚀性和导电性,这主要是由于随着电流的增大,粒子得到充分的熔化,使涂层致密度得到了提高,孔隙等缺陷减少。

复合石墨双极板材料及性能的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的双极板起到传递电子、分配气体、电池内水管理、支撑膜电极组件等作用,也是保证燃料电池堆低成本的关键部件。本文对双极板材料(金属、石墨和复合材料)、作用、优势及挑战进行了分析,其中复合石墨双极板以其长寿命和耐腐蚀的特质,具备与其他双极板竞争的优势,近年来受到高度关注;对石墨形成导电网络的相关因素(涉及填料尺寸、形态,辅助填料桥接石墨颗粒)、聚合物的成分与固化条件以及成型工艺条件对性能的影响规律进行了讨论。未来,开发具有优异综合性能的复合石墨双极板,掌握并优化聚合物结构及反应路径对其性能的平衡作用,使现有配方及成型方法适应大规模生产,将大大增强质子交换膜燃料电池在更多领域的大规模应用。

各向异性膨胀石墨双极板对燃料电池性能的影响

该文分析了膨胀石墨双极板(EGBPs)各向异性结构对燃料电池水热管理与输出性能的影响。建立了三维两相非等温数值模型,对比了4种典型复合材料结构下温度、电流密度、水含量等参数的分布特征,揭示了双极板传热特性与输出性能的耦合效应。结果表明:沿质子传递方向热导率(k_z)对燃料电池性能具有显著影响,在2.2 A cm^(-2)电流密度下,将k_z从常规结构的5 W·m^(-1)·K^(-1)提升至280 W·m^(-1)·K^(-1),可以使输出性能提高22 m V;沿流道气体流动方向的热导率(k_y)是影响散热能力的关键因素,将k_y与k_z提高至280 W·m^(-1)·K^(-1),或者实现各向同性结构(k_x=k_y=k_z=20 W·m^(-1)·K^(-1)),均能够使膜电极组件(MEA)核心区域的温度降低2℃左右。因此,提高k_y与k_z并实现各向同性结构是膨胀石墨双极板技术的未来发展目标之一。

面向燃料电池双极板的不锈钢表相掺杂耐蚀性高通量计算与分析

通过基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理高通量计算,筛选了可以提高不锈钢双极板钝化层在PEMFCs工作环境中的耐蚀性的掺杂元素.基于Cr_(2)O_(3)的(101-2)切面构建计算模型,对其进行了48种元素的掺杂替换,考虑228种掺杂构型.根据掺杂结构和位移能量、掺杂元素被分为4类,并采用不同的吸附、空位计算方案.根据不同掺杂类型采用不同的吸附、空位计算方案,计算了每种掺杂元素对功函数、F的吸附能和Cr/O的空位形成能的影响.计算结果显示,C、N、In、Ru对于不锈钢钝化层的各项耐蚀性参数提升效果较好;Au、Rh、Pt、Ir、Co、Ni也能较好地提升耐蚀性,但是存在成本高或者危害质子膜的问题;Ag、Cu、Sn、Ge可以抑制空位形成和F吸附,但会造成功函数下降;Zn可以提高功函数并抑制F吸附.此外,对于电子态密度的计算表明,掺杂原子与Cr原子形成的稳定键合是耐蚀性参数提升的重要因素.

碳基复合材料双极板真空浸渍制备工艺

采用真空浸渍树脂的方法制备燃料电池复合材料双极板,研究真空浸渍过程环氧树脂稀释剂的添加量、温度以及石墨的孔隙结构对浸渍树脂量的影响,并考察制备的燃料电池双极板的导电性能、抗弯强度以及气密性能。结果表明:环氧树脂稀释剂含量的增加和温度的提高可以降低树脂黏度,进而提高树脂的浸渍上限,使树脂能够浸渍填充到更微小的孔隙中,同时仍然存在着一些孔隙无法填充浸透,在膨胀石墨板中0.1μm以下的孔隙难以被完全渗进,导致树脂无法完全填满膨胀石墨的整个孔隙。采用真空浸渍法浸渍环氧树脂/稀释剂体系的适宜温度为50℃,稀释剂乙二醇二缩水甘油醚最优添加比例为15%(质量分数),所获得的双极板EGP-H平面电导率为340.12 S/cm,抗弯强度为41.52 MPa,氦气渗透率为5.4×10^(-7)cm^(3)·cm^(-2)·s^(-1)。

具有低接触电阻的燃料电池双极板用Ti-Al-Ta合金

表面制备涂层后的钛及钛合金作为质子交换膜燃料电池双极板具有优良的综合性能,但裸板在服役过程中会形成导电性不良的钝化膜,降低了整机效率。通过研究α型耐蚀钛合金Ti35(Ti5Ta)及其Al合金化的可行性,在保证耐蚀性的前提下,提高裸板的导电性。利用团簇式成分设计方法,结合相图上的最高固溶度,设计了成分为Ti-7Ta,Ti-8.3Ta,Ti-9.6Ta的三种Ti-Ta合金以及成分为Ti-2.6Al-5.8Ta,Ti-3.8Al-8.6Ta,Ti-5Al-11.3Ta的三种Ti-Al-Ta合金。测试结果可知,在模拟阴极服役环境(0.5 mol/L H_(2)SO_(4)+2×10^(-6)HF)0.6 V(vs.SCE)下恒电位极化4 h,所设计合金阴极极化电流密度均小于参照合金TC4,其中Ti-8.3Ta合金最小为0.72μA·cm^(-2)。在1.5 MPa加载压力下,随着Ta含量的增加,接触电阻(ICR)值逐渐降低,且均优于纯钛和TC4合金,Ti-5Al-11.3Ta合金的ICR值最小,为18.3 mΩ·cm^(-2),其阴极极化电流密度为0.91μA·cm^(-2)。综上表明,Ta和Al的适量添加能够有效提升钛合金双极板的服役性能,有望实现无涂层制备的钛合金双极板材料。

基于对称蛇形流场的PEMFC双极板流道尺寸优化

基于对称蛇形流场双极板,采用中心复合试验设计方法,以双极板流道结构参数为优化变量,以质子交换膜燃料电池(PEMFC)最大功率密度和双极板流道进出口压差为目标,通过试验设计和数值模拟的方法研究了基于最优对称蛇形流场尺寸的PEMFC的内部流动特性和电化学性能,并与优化前比较。优化设计结果表明,对最大功率密度和压差影响最大的因素分别为双极板流场直线型流道宽度和流道深度;当辅助流道宽度为1 mm,脊宽为1.4 mm时,直线型流道宽度的最佳取值范围为1.14~1.68 mm,流道深度的最佳取值范围为0.9~1.51 mm。在相同条件下,双极板流道优化后对称蛇形流场PEMFC最大功率密度为0.662 W/cm^(2),相比于优化前的最大功率密度(0.601 W/cm^(2))提高了10%。

摩擦因数对超薄316L不锈钢双极板热冲压数值模拟的影响

构建了一个高温摩擦实验装置,用于测量厚度仅为0.1 mm的超薄316L不锈钢双极板在5种不同温度下的名义摩擦因数。实验结果表明,在200℃时,超薄不锈钢板的名义摩擦因数为1.05,远高于室温条件下的摩擦因数(0.29)。基于摩擦因数随温度变化的实验结果,建立了双极板热冲压过程的有限元模型,并利用温度相关摩擦因数模拟了0.1 mm厚316L不锈钢双极板在热冲压成形后的微流道厚度分布。结果显示,相比于使用恒定摩擦因数的模型,采用摩擦因数随温度变化的有限元模型可以更准确地预测微流道截面的厚度分布,其预测准确性提高了192%。

质子交换膜燃料电池钛双极板研究进展

双极板是质子交换膜燃料电池(PEMFC)中的重要组成部件,其性能对PEMFC的结构稳定性、耐久性、效率和功率密度等起关键作用。金属双极板由于成本较低、力学性能优异以及导电导热性能良好等优点而备受关注。其中,钛金属具有密度低、气密性好、抗拉强度高等特性,且在酸性环境下具有优异的耐蚀性,在PEMFC中有很高的应用价值。钛双极板的耐蚀、导电、疏水、传热、传质等性能受到涂层材料和成形方法的显著影响。因此,文章首先介绍了双极板在PEMFC中的功能及相关要求,然后综述了近年来在PEMFC钛双极板涂层材料和成形方法两个方面的主要研究成果,并对其未来的研究方向进行了展望。

氮气流量对VNbMoTaWN_(x)薄膜作为PEMFC不锈钢双极板改性层性能的影响

目的降低SS316L表面的接触电阻,提高耐腐蚀性能。方法采用非平衡场磁控溅射离子镀技术在SS316L不锈钢表面制备VNbMoTaW和不同氮气流量的VNbMoTaWN_(x)薄膜。使用场发射扫描电镜、XRD衍射仪、XPS光电子能谱仪、电化学工作站、接触电阻测试装置,研究了改性涂层的组成和结构对接触电阻和耐腐蚀性能的影响。结果扫描电子显微镜结果表明,所有薄膜表面致密且连续、与基体结合良好。随着氮气流量的增加,氮化物相逐渐增多、柱状晶结构减少、薄膜更加致密紧凑。XRD结果表明,未通氮气的高熵合金薄膜具有高熵合金体心立方结构,并沿(110)晶面方向生长。随着氮气流量的增加,氮化物相逐渐增多,薄膜晶体结构开始从体心立方结构转变为面心立方结构。结合XPS分析结果可知,VNbMoTaWN_(x)薄膜表面主要由金属氮化物和少量高熵合金BCC相组成,并且随着氮气流量的增加,金属氮化物相逐渐增多。与单层VNbMoTaW薄膜相比,VNbMoTaWN_(x)薄膜具有更好的耐腐蚀性和导电性能。氮流量为12mL/min的高熵合金氮化物薄膜具有最优异的综合性能。表面改性后的薄膜接触电阻大幅度降低,在1.4MPa的压力下,与碳纸的接触电阻仅为12.2 mΩ·cm^(2),接近美国能源部(DOE)的技术目标。由动电位极化曲线测得VNbMoTaWN_(x)-12mL/min在模拟PEMFC阴极环境下的腐蚀电流密度为0.040μA/cm^(2),与SS316L基体相比,薄膜的耐腐蚀性得到了很大提升。在0.6 V恒电位模拟阴极环境下,VNbMoTaWN_(x)-12 mL/min的电流密度稳定在1.01μA/cm^(2),接近美国能源部1μA/cm^(2)的目标。结论VNbMoTaW和不同氮气流量的VNbMoTaWN_(x)薄膜能显著提高SS316L基体的耐腐蚀性和导电性能。

双极板表面润湿性能的研究进展

双极板作为气、水通道,将质子交换膜燃料电池(PEMFC)内部的液态水排出,其原材料选择、表面形貌特征及表面润湿性能都会影响PEMFC内部的水管理。针对调节、改善双极板表面润湿性能的问题,综述双极板的表面润湿性能对PEMFC电流密度与功率密度的影响,以及表面粗糙度对表面润湿性能的影响;介绍通过不同类型的表面涂层改善金属双极板表面润湿性能的方法;对于复合双极板表面润湿性能,详细分析不同树脂类型对表面润湿性能的影响,列举适合复合双极板的表面涂层,同时指出清理双极板表面富树脂层的方法。展望具有较好润湿性能的双极板的研究方向和发展应用。

膨胀石墨基复合双极板的研制进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)被誉为21世纪最清洁高效的能源装置之一,双极板是其重要组成部分,其性能的优劣直接影响到PEMFC的应用前景。膨胀石墨基复合双极板具有良好的耐腐蚀性、导电导热性、气密性,并且集成了传统石墨和金属双极板的优点,成为目前PEMFC用双极板的研究重点。比较了天然石墨、人造石墨、膨胀石墨三种石墨材料制备出的双极板的性能优劣,列举了膨胀石墨基复合双极板成型所需的各类树脂材料,介绍了三种主流成型方法及工艺,分析了影响膨胀石墨基双极板性能的主要因素,展望了膨胀石墨基复合双极板未来的研究方向。

钛金属双极板表面耐蚀与疏水涂层性能

为提高质子交换膜燃料电池钛双极板的耐蚀性能与疏水性能,采用溶胶-凝胶法在钛基体表面制备不同锡含量的掺锡氧化铟(ITO)涂层,通过扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和X射线衍射仪(XRD)对涂层表面形貌和组织结构进行表征分析,用粘结法评价涂层与基体的结合情况,并利用水接触角测试仪和电化学测量仪测试涂层的疏水性以及在模拟电池环境下(0.5 mol/L H_(2)SO_(4)+2 mg/L HF)的耐蚀性。结果表明:不同锡含量的ITO涂层对改善钛双极板的疏水性和耐蚀性具有不同程度的效果。ITO In^(3+)∶Sn^(4+)=1∶0.10涂层最为均匀、致密,与基体结合良好;其腐蚀电流密度为2.336μA/cm^(2),与基体相比下降了一个数量级;水接触角与电荷转移阻抗最大,水接触角由基体的43.98°升高至121.87°,表现为疏水性,且其电荷转移阻抗为55455Ω·cm^(2),约为基体电荷转移阻抗值的145倍,对钛金属双极板起到了最佳的耐蚀防护性。

PEMWE钛双极板表面碳化钛复合涂层制备与性能研究

质子交换膜电解池中钛双极板起着传导电流、支撑结构以及传输水气的作用,但在酸性富氧高极化环境中,其表面容易氧化和腐蚀,导致电解效率下降。采用氮气雾化喷涂-热处理的方法在TA1钛基体表面制备碳化钛/环氧树脂/聚酰亚胺复合涂层。复合涂层中碳化钛颗粒主要提供高导电性和耐蚀性,而黏结剂主要提高涂层与基体的结合力。当黏结剂中环氧树脂与聚酰亚胺树脂质量比为4∶1时制备的样品表面均匀无裂纹,在140 N/cm^(2)压力下,该样品的接触电阻(1.35 mΩ/cm^(2))比钛基体低了28.95%。在1.8 V(相对于可逆氢电极)恒电位极化过程中,具有碳化钛复合涂层的样品表现出更低的极化电流密度和更高的稳定性。

PEMFC铝合金双极板表面改性研究现状与发展

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)作为第五代燃料电池,是最具发展前景的新能源电池,其中双极板作为PEMFC的核心元件,不仅能将单一电池链接起来形成电池堆,起到支撑作用,还具有提供气体流道、隔绝阴阳极两端等作用,对燃料电池工作性能、寿命起到关键作用。其中铝合金作为一种具有良好导电性能、成本低、轻质的材料,在PEMFC双极板材料方面应用潜力巨大。但铝合金双极板耐腐性不佳,在PEMFC工作环境下极易被腐蚀,且其表面生成的钝化膜,增大了电池的接触电阻,从而对电池性能和寿命产生不利影响,而通过铝合金表面改性是解决该问题的主流方法。首先概述了PEMFC原理、双极板材料类型及内部环境,然后阐述了PEMFC中铝合金双极板的服役问题,并对近年来铝合金双极板的表面改性进行分类。重点概括了铝合金表面金属及其化合物涂层(贵金属、金属氮/碳化物、镍磷金属涂层)与非金属涂层(碳基涂层、高分子聚合物涂层)的结构设计、成分优化、服役性能特点。分析结果表明,选用低成本、具有良好耐蚀性和导电性的金属惨杂的无定型碳、金属碳/氮化物涂层,能降低双极板生产成本,提高双极板工作性能,并对涂层设计出多层复合涂层,能打断涂层中的细长针孔缺陷,提高涂层的完整性和致密性。在铝合金表面进行改性研究,以提高其耐蚀性、导电性及服役稳定性,对推动铝合金双极板在PEMFC电堆中的应用至关重要。