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上海治臻:PEM电解槽双极板上的创新
治臻本身是以燃料电池双极板的设计、制备进入氢能领域。在六年与行业成长的岁月中,治臻逐步落成了“一个中心+一个基地”产业布局。
其中,临港基地作为研发中心,形成了面向氢能产业“产品构型设计”、“新型材料开发”、“精密工艺论证”及“装备自主制造”的四大技术平台。
常熟量产基地以工业4.0为建设目标,建成了“自动化柔性制造系统”、“工艺-质量信息自主交付系统”及“基于数据库比对的质量控制系统”,实现批量化、一致性制造。
今后,治臻也将基于上述平台,继续深耕氢能领域,为氢能新型产品研发及量产做出贡献。
PEM电解槽运行电压高、环境酸度大、耐高压需求强,并且规模化应用成本需求日益凸显。其中,对于双极板而言,同样面临三大困境:
1)高电位涂层耐蚀性能差,耐高压密封泄露风险大,材料体系缺口明显
2)未突破冲压对偶结构设计,采用铣削、蚀刻制备,材料利用率低,成本高
3)电解槽运行压力、温度作用下机械结构稳定性差,影响安全运行
围绕上述材料需求,治臻开展了高硬度三元乙丙材料体系开发,并利用多道次、变截面构型设计实现高压密封;对于高电压下涂层因团聚丧失界面导电现象,引入钉扎型元素,形成合金化涂层,有效抑制高电位下涂层团聚现象,延长涂层使用寿命。
围绕上述构型设计,治臻通过“一板两场”结构设计,充分利用冲压工艺形成的对偶结构特点,实现电解槽极板薄板化,提升材料利用率的同时,显著降低工艺成本。
此外,治臻对于PEM电解槽工质、温度均匀性分布进行了系统化结构调整,提升了PEM电解槽使用效率及安全性。
治臻为PEM电解槽发展规划了两个方向。PEM电解槽大型化方向,主要解决稳定性及长寿命,将来用于兆瓦级制氢场合。这个过程中,治臻主要侧重极板-钛毡-CCM之间均匀传质的联合设计,以及表面涂层材料体系的耐久性提升。另一个方向就是小型化,面向氢健康等方向,主要提升安全性及反应效率,这个方向上,治臻通过新型密封材料体系设计及流场、钛毡等结构的有序化开发进行攻坚。
在常熟基地,公司正在建设一个“太阳能屋顶+PEM电解制氢”示范项目,产生的氢气可用于氢能AGV移栽车或氢能叉车,过程中产生的热能可以供给日常生活使用,这便构成了一个小型的“氢能社会”,实现整个过程无排放无污染的社会活动。
治臻还拥有独创密封材料杜绝外漏和串漏。
密封泄露途径有两个,一个是本体泄露,一个是界面泄露。对于材料本体泄露,治臻通过全碳链高分子材料体系开发,通过提升内部碳链排列密度,降低本体泄露风险。对于界面泄露,通过“多峰-变截面”结构设计,逐步卸载气体逃逸压力,提升了高压下界面密封的可靠性。
有关极板上贵金属的涂覆情况。高电压下涂层发生团聚行为,降低界面并联导电的能力,从而使得接触电阻上升。通过引入“钉扎型”元素,对本体导电薄膜形成钉扎、固定,有效减少导电材料的“自卷曲”效应,抑制高电位下涂层团聚现象,延长涂层使用寿命。