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浅谈燃料电池金属双极板镀层工艺及其成本

时间:  2021-11-19 18:16   来源:  要点氢能    作者:  网络转载

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使用金属板带来的挑战之一是它们比碳基板更容易腐蚀。为此,合金的选择非常重要。对于需要哪种合金和表面处理来提供足够的耐腐蚀性,燃料电池界存在很多不确定性。虽然有些人认为存在适当的不锈钢合金,足以解决这一问题,但其他人坚持认为,保护涂层是必要的。如果选择了正确的涂层方法,则可以为双极板使用更便宜和/或更轻(但耐腐蚀性较差)的材料,这有助于抵消涂层成本。在确定涂层方法和/或板材料时,必须考虑每个板将遇到的不同腐蚀环境:阳极板的氢气和冷却剂,以及阴极板的氧气和冷却剂。

文献和专利审查以及与研究人员的探讨表明,可能不需要涂层/表面处理,并且316L不锈钢(或其他类似成本的商业化合金)是合适的。然而,来自FCTT(The Fuel Cell Technical Team)的进一步意见表明涂层是必要的。在燃料电池技术团队的指导下,涂层包含在系统成本中,基于使用TreadStone Technologies,Inc的专有工艺涂层的76.2微米(3-mil)不锈钢316L合金金属双极板。

基于TreadStone专有的LiteCellTM工艺,在双极板的两侧涂上一层防腐涂层。DFMA®分析基于TreadStone专利US 7309540的信息以及根据保密协议转让的信息。

根据该专利,涂层由“一个或多个防腐层组成,包括穿过防腐层的导电通孔”(见图1)。防腐层提供出色的腐蚀保护,而通孔提供足够的导电性以提高整个板的导电性。

浅谈燃料电池金属双极板镀层工艺及其成本

防腐层是通过物理气相沉积(PVD)工艺施加的。制造过程的细节被认为是专有的,所以这里只提供有限的解释。

2016年,更新了涂层工艺,以反映TreadStone DOTS-R“dot”防腐涂层技术。假定的涂层应用遵循两个步骤:

PVD应用连续专有防腐层,

低成本专有非连续专有导电材料层(约5-10%表面覆盖率)。

这两层都是在双极板冲压后应用的。导电层仅应用于板的一侧,因为只有一侧需要低接触电阻。

以每年1000个系统的速度,预计PVD工艺将采用一个较小的系统,以提高涂层设备的利用率。从Vergason Technologies获得了一个需要手动加载系统的较小沉积区域机器的报价。除了较慢的处理时间外,还增加了额外的劳动力。然而,在较低的设备成本和较高的利用率(>30%)下,TreadStone涂层的成本降低。

图2显示了DOTS-R TreadStone工艺的成本明细。据观察,涂层成本主要是年生产率的函数,在每年仅1,000个系统的低数量时成本会飙升。这反映了涂层系统的低利用率,应用替代技术或许可以降低应用成本。

浅谈燃料电池金属双极板镀层工艺及其成本

2017年,对Treadstone的第三种涂层TIOX进行了成本分析,并与DOTS-A和DOTS-R进行了比较。新工艺涉及三个步骤:

专有合金的PVD;

化学蚀刻;

热处理。

TIOX涂层的最终成本结果显示与TreadStone的DOTS-R 涂层相比成本略低,但是,TIOX涂层仍在进行性能和耐久性测试,因此用于2020和2025系统而不是2018基线系统。需要注意的是,TIOX涂层与DOTS-A和DOTS-R相比有很大不同,因为TIOX 涂层不含任何贵金属。这有助于降低涂层材料的成本,如图3所示,与之前的DOTS-A和DOTS-R相比,成本更低。

浅谈燃料电池金属双极板镀层工艺及其成本

此外,对于2020和2025系统,由于材料成本略低(SS304L=$12.22/kg,SS316=$13.19/kg),BPP板材改用SS304L。虽然SS316因其卓越的耐腐蚀性而成为BPP的常规材料选择,但SS316和SS304目前都用于BPP。因此,SS316用于2018年基线系统以反映正在使用的主要材料,而当(TIOX)涂层系统的置信度和性能将(可能)更高时,SS304用于未来系统。
 

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