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燃料电池高性能双极板用材料

在电动汽车中,燃料电池作为电池技术的替代品越来越重要这归于多项原因,其中包括德国联邦政府在 2020 6 月通过了一项国家氢能战略。就电动汽车的燃料电池而言,高效率和紧凑设计是两个关键要素。用于制造双极板的带钢在这两个方面都起着至关重要的作用。Waelzholz 为移动燃料电池应用的开发者提供专用高质量精密带钢。

Waelzholz 的材料工程师 Jan Ullosat概述了该应用领域中使用的带钢需要满足的要求:“当提及移动燃料电池应用的双极板所用的带钢时,我们需要同时满足效率、厚度、稳定性和可成形性在一起的需求。”在燃料电池汽车中,“电池组”(即组成一个完整燃料电池的一系列电池)需要由大约 400 个电池组成,以提供必要动力。电池用双极板彼此分开,每个电池在其左侧和右侧各有一个双极板。每个双极板都由两片金属片组成。“因此,每辆燃料电池汽车的燃料电池中大约有 800 片金属板。由于汽车动力系统的空间有限,所以金属板必须尽可能薄,以尽量减少整个系统占用的安装空间。”销售部的 Ralf Sauer 解释说。    

优化制造工艺带来最高稳定性和成形性

Ullosat 解释了“尽可能薄”的精准定义:“我们能够为这种应用制造厚度在 75 至 100 微米之间的极其薄的精密不锈带钢。这大致相当于人类头发的厚度。这一过程的挑战在于协调两项要求。一方面,这种材料必须易于成形,因为双极板具有复杂的气体通道结构,即所谓的流场。另一方面,双极板的尺寸必须非常稳定,而稳定性很大程度上取决于我们的材料和客户的板材设计。”尺寸稳定性与移动应用中使用的带钢特别相关,因为当车辆行驶时,整个燃料电池系统将受到冲击和振动压力。Ullosat 说:“双极板的形状极其复杂,这使得它们在以后的使用中具有高度稳定性。为形成这些形状,我们的客户需要耐久性极好的材料,以适应复杂的成形过程。要实现这一点,工艺路线需要包括经特别协调的轧制和热处理工艺,使得极薄精密不锈带钢具有出色的成形性。我们的客户可以从我们这里获得一种完全各向同性材料。该材料是专门为复杂成形工艺制造的,即使在弯曲半径很小的情况下也可以使用。”与成形和后续使用相关的另一个要求是平整度——双极板具有多维结构,包含用于流体和气体流动的超细通道。卓越的平整度可以确保这些通道在整个板表面精准地成形

纯度要求极高的精密不锈带钢

Waelzholz 为燃料电池应用供应一种特殊牌号的精密不锈带钢,经过客户涂层后可以获得更好的电气性能。Ullosat 解释了 Waelzholz 材料的优势:“每个客户的具体涂层技术都非常独特,对燃料电池的性能有着重要影响。关于表面结构,我们凭借自己的材料和专业知识,可以提供所有能想出的方案。我们能够精确定制材料表面的粗糙度,以满足客户的涂层需求。如果涂层在成形过程或以后使用中损坏, Waelzholz 精密不锈带钢可以防止双极板腐蚀。”Ullosat 解释说:“这是一个非常重要的安全因素。因为如果双极板生锈,可能导致单个电池故障,继而造成整个燃料电池组出现整体故障。”销售专家 Sauer 补充了这种材料的另一个优势:“燃料电池制造商希望我们提供纯度极高的材料。这是因为在材料厚度如此小的情况下,材料中杂质会对成形性产生不利影响。为有效确保我们的产品具有所需纯度,我们对提供给我们的所有原材料进行严密细致的检查。”

咨询专业知识和工程服务

“我们的大多数客户在早期阶段就请我们参与他们的产品开发过程。” Ullosat 说:“凭借我们的经验,我们可以支持和优化他们的项目,实现最大程度的灵活性。”在移动应用燃料电池这一前沿领域,这点尤为重要。除了掌握我们的核心流程,我们最有价值的技能是对整个价值链的所有上游和下游流程有深入了解。这样一来,我们能够以各种方式激发潜力,共同为客户提供巨大附加值。Sauer 补充说:“我们的服务早在提供第一批测试材料时就开始了。我们有多种版本的双极板带钢的样品线圈库存。因此如果需要,我们可以立即向客户提供材料。时间对我们的客户至关重要,因为德国的国家氢能战略将推动对移动燃料电池解决方案的需求。”

 

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燃料电池通俗解释

氢能是一种极好的能源,借助燃料电池可以开发其潜力。我们应该都记得化学课上做的氢氧爆炸试验。在试验时,将氢氧混合并点燃。氢原子和氧原子在链式反应中以爆炸方式结合,作为反应产物产生水。氢气和氧气的化学能量比水高,这种能量差在反应过程中得到释放。这一因素正是燃料电池背后的主要原理——让氢和氧在受控情况下发生会产生水的缓慢反应,释放出可用作电力的能量,用于为电动机提供动力等用途。 

它的工作原理如下(见图)*:一个燃料电池由两室组成,它们被一层细膜隔开。H2 (氢气)送入左室,O2 (氧气)送入右室。在阳极侧(左),催化剂将氢分解成两个质子(带正电荷)和两个电子(带负电荷)。此处的关键在于,质子(H+ 离子)可以通过薄膜上的孔迁移到右侧(阴极侧)。而与此同时,薄膜形成了电子的电绝缘体,因此电子不能通过。电子被迫绕道——由于质子从左侧向右侧迁移造成的电势差,它们也会通过外部电路流向右侧的阴极。用电设备连接到该电路并工作。用电设备可以是一个电动机。在阴极侧,供应的氧气 (O2) 与电子和质子(H+ 离子)结合形成 H2O,也就是水。

如果我们现在将许多这样的燃料电池组合在一起,就可以形成所谓的“电池组”。燃料电池汽车使用的电池组包括大约 400 个这样的电池。