燃料電池金屬雙極板-傳統產業升級的優秀示範

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燃料電池(Fuel cell)是一種將化學能轉成電能的發電系統,轉化效率約可達85%,屬於高效、環保的電力裝置,依電解質不同分為鹼性燃料電池(Alkaline Fuel Cell-AFC)、磷酸燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell -PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell -MCFC)、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell -SOFC)和質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell -PEMFC)五大類,而質子交換膜燃料電池(PEMFC)是至今發展較成熟的低溫燃料電池,有著長效壽命、高比功率和與比能量、室溫下快速啟動…等優點,且方便作為移動式與固定式電源使用,普遍被認為是未來新興能源發展項目之一。
質子交換膜燃料電池(PEMFC)使用『氫氣』作為燃料,原理與電解水設備相似,差異在於一個是以電力將水分解產生氫氣和氧氣,而PEMFC是將氫氣和氧氣透過化學反應生成水並產生電能;能完成電化學反應的最小單元稱為單電池,由陽極板(Anode)、膜電極組件(Membrane Electrode Assembly-MEA)、陰極板(Cathode)所組成,所產生電壓約0.6~0.85V,所以通常要將多個單電池串聯使用才能符合工業需求。
陽極板與陰極板通常為同一塊組件,但兩面為約寬深1*1mm不同溝槽設計,讓氫氣與氧氣僅能透過MEA做質子交換而不至於有其他通道可以接觸,而這一塊組件則稱為雙極板(Bipolar Plate-BPP),其功用除作為氣體與冷卻劑通道外,也作為支撐MEA(厚度約0.4~0.5mm)的骨架;材料使用有石墨、複合材料與金屬板三種,石墨材料屬最成熟的應用,但僅能透過機械加工或射出成形流道,且具脆性需要一定的厚度,因此具有較大的體積與成本。複合材料分為金屬基與碳基,金屬基通常以一塊高導電金屬薄材膠結石墨流道板,但製程複雜;碳基則是以碳纖混合樹脂壓合成形,適合大量生產,但電阻、氣密性及平面精度難以控制。金屬雙極板則以兩塊不同流道設計的沖壓薄板焊接而成,體積小、重量輕、耐腐蝕、低電阻、價格便宜特性,是目前各方積極發展的項目。
金屬雙極板一般使用0.1mm的SUS316不銹鋼作為基體材料,具有良好的力學與導電性,通常透過連續衝壓方式成形:
1.材料: 因為金屬材在電解環境下容易發生腐蝕而降低電池效能,通常需要鍍上NbC塗層減少腐蝕現象,所以料帶分為有預塗層與無預塗層,不過預塗層鋼帶成形焊接後通常會發生一些小問題,因此大都選用無預塗層鋼帶,並於成形後在鍍層保護。
2.成形: 大部分的製造廠以連續衝壓成形陽極板和陰極板,也有少數廠家會使用液壓成形,端看製程技術而定,不過在衝壓成形時,因溝槽特徵較小,容易有衝壓不足與回彈現象發生,需要透過模擬分析與補正來改善。
3.雷射焊接: 經過成形後的陽極板與陰極板通常是透過雷射焊接,沿著板件周邊將其焊合組成一個完整的雙極板,同時也會將中間的冷卻液封閉並檢測其性能。
後續還有會一些耐腐蝕塗層與密封膠的處理,會因應各家製造廠需求不同而有所差異。
#同樣是板件衝壓這個價格就高多了
#傳統技術轉型就要找這種的
燃料電池的原理與金屬雙極板的製程
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鑒於多數產品開發屬於連續製程,常需串連各類成形工法達成客戶要求,當前成形技術研究大都著重單點項目,以鍛造、沖壓、加工為主;因此將整合各項固態金屬成形技術與資源(涵蓋鍛造、擠型、軋延、抽製、旋壓/鍛、沖壓、液壓鼓脹、CAE),協助在職者或有興趣的朋友一同深入討論。
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