氢能装备与安全保障技术
一、成果简介
（一）成果概述
针对氢能行业的装备制造技术不成熟、产品可靠性差、寿命短的难点与痛点，本项目以课题组十三年来开发成熟的具有自主知识产权的“氢能装备与安全保障技术”为支撑，以SOFC热电联供系统的材料设计、制造技术、系统集成及性能检测为切入点，对标并替代国际先进制氢、储氢、用氢及临氢材料性能监检测技术和装备，作价投资入股建立系列氢能装备及氢损伤监检测装备（重整反应器、燃料电池用双极板、PCHE换热器、氢能装备力学性能无损检测仪等）的研发、中试、生产、销售与技术服务企业，具备千瓦级固体氧化物燃料电池发电系统与高可靠性电堆成套产品生产与检测条件，开展氢能装备的批量生产与应用推广，获得可观的经济和社会效益的同时，为实现碳中和、碳达峰战略目标贡献一份力量。
（二）技术特点及技术指标
（1）催化重整反应器可靠性制造技术
针对甲烷裂解反应、CO歧化反应和CO还原反应等三个积炭反应，阐明了不同反应体系和操作条件对管式反应器内积炭区域的影响。构建重整反应的结构-流体力学模型，采用数值仿真软件模拟优化重整结构，强化重整区域的温度均匀性、热量匹配性和重整高效性，从而实现了重整模块整体性能的优化提升，攻克了紧凑型管式重整反应器可靠性制造技术。
研究得到不同阳极积碳的程度，探究同种催化条件和反应条件下的掺氢比例对阳极积碳程度的影响，考察天然气组分与SOFC 输出功率变化和电池寿命的匹配关系。对已制设备的产气进行处理，研究掺氢天然气重整制气反应过程中的碳氢比、反应温度等因素对燃料气组成的影响规律，确定适应于 SOFC 实际工况的燃料气组分范围。利用以上所得的静态影响规律，系统分析考察不同反应条件对催化剂活性与稳定性的动态影响，以获取 SOFC 动态工况下最适燃料气组成范围。对燃料重整精准调控的反应边界条件进行探究，分析燃料重整条件和电堆运行参数等因素对系统性能的影响规律，从而实现掺氢天然气重整制备 SOFC 燃料气的定向催化调控。最终实现了重整模块整体性能的优化提升，攻克了紧凑型管式重整反应器可靠性制造技术。
（2）SOFC柔性电堆制造技术
运用液相浸渍制备技术，构筑高活性和稳定性电极异质结构，优化了相转变工艺参数构筑阳极支撑体的电极材料。基于传统刻蚀和机加工双极板结构，分析流场分布及应力集中特性，设计柔性翅片式双极板结构，开发双极板液压成型技术，对翅片流道进行优化，探究翅片几何尺寸、流道布置对流场、温度及应力分布的影响，优化翅片结构。研究模具尺寸精度和成型压力对于成型公差的影响，采用SEM、EDS和XRD对沉积涂层的形貌、成分和组织结构进行定量分析，结合液压成型工艺中高压液态介质可保护材料表面的特征，开发双极板液压成型、多涂层共沉积技术，实现了双极板高可靠性制备。
开发双极板液压成型、多涂层共沉积技术，实现双极板高效批量制备；优化流延、丝网印刷、排胶烧结等工艺过程，实现高一致性单电池批量制备。将液压成型工艺和物理气相沉积（PVD）工艺引入双极板生产过程，研究模具尺寸精度和成型压力对于成型公差的影响，通过控制模具尺寸精度和水压在线测量确保产品成型率；采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对沉积涂层的形貌、成分和组织结构进行定量分析，结合液压成型工艺中高压液态介质可保护材料表面的特征，设计成型前PVD涂层与成型后局部PVD再涂层的工艺流程，将双极板成形、多涂层共沉积集成于同一工业化生产流程，实现双极板高效批量制备。研究流延浆料流速、流延液面高度等参数对于流延素坯厚度的影响，研究排风速度、烘干温度等参数对于素坯干燥速度的影响，通过优化电极支撑层连续流延工艺，实现支撑层的高效批量制备；研究电解质浆料、丝网印刷次数等参数对于电解质厚度的影响，通过优化电解质制备工艺，降低电解质层厚度，缩短生产工艺周期，降低电解质内阻；研究排胶、烧结等工艺参数对于单电池成型的影响，通过工艺优化，提高烧结良品率；研发将自动喷涂渗透剂、高像素摄影图像分析和自动分级相结合的电解质致密性在线检测设备，提高产品良率，缩短工艺时间，实现高一致性单电池批量制备；同时利用激光粒径分析仪、扫描电子显微镜(SEM)&透射电子显微镜（TEM）并结合氮气吸附法等技术手段，分析粉末颗粒的大小、形貌、表面积等物理性质，从根本上优化电池的物理与化学性能。
研发电堆高温连续化封装和柔性化制造设备，形成电堆工程化制造技术，建立电堆工程化制造规范。设计研发电堆柔性化制造装备系统及周边配套设施，能够响应生产工艺和待组装零件更改的要求，并及时做出相应调整。系统整体结构拟采用模块化设计，选用自动导引搬运小车（AGV）实现待组装零件派送、容器回收以及成品电堆的自动搬运，以二维码信息作为识别标志，设置待组装零件集中供给站，各类待组装零件分别由集中供给站派送至各个组装工位并自动上料，各组装工位设置自动更换容器装置、条码信息核对装置并具有缺料、错料预警功能。电堆柔性化制造装备系统选用机械臂、蜘蛛手机器人、有轨制导车辆（RGV）系统构成自动组装流程。机械臂和蜘蛛手机器人开发设计针对不同类别的待组装零件专用手爪。在装备的每一个节点均设置高清图像装置，借助视觉系统判别装配环节的差错，及时终止装配进程并示警。组装后的电堆由AGV送入高温推板烧结炉开始升温烧结流程，在工作温度下测试成品电堆的气密性等各项性能指标，按照系统预先设定的检验标准判定质量等级，相关信息记录于成品电堆二维码。成品电堆经由降温流程后送入柔性化制造装备系统的子系统成品电堆自动货架系统。柔性制造装备系统可以精确调整每一工序的技术参数，实现电堆的高稳定性、高一致性和高效率批量生产。基于电堆柔性化制造装备系统，结合电堆制造工程经验，建立电堆工程化制造规范。
（3）微小紧凑型扩散焊微通道换热器制造技术
分析了不同流道类型及尺寸对传热效率及换热性能的影响规律，开展微通道结构扩散焊一体化成形工艺研究，探究不同扩散焊温度、升降温速率对接头组织及强度的影响，获得最优的扩散焊连接工艺，研制出具有高效率高强度的微小紧凑型换热器。同时，设计全局式换热模型，基于不同模块的温度要求和物质流分布，建立高温尾气的余热梯级利用的合理流动路径，优化相关热交换模块结构，提高余热利用效率，从而实现换热模块的优化。
（4）氢能装备力学性能无损检测技术
氢能装备氢脆、氢损伤等影响，材料力学性能会随服役时间增加而逐渐下降，因此为科学监测能源装备健康状态，需要定期对氢能设备进行材料力学性能评估。尽管我国有千亿级的检测市场，但面临高端检测仪器被国外垄断的窘境，无国产设备可用。针对该问题提出了强度-韧性-残余应力无损测试新理论，研发出便携式无损在线力学性能检测仪，可满足用户不停机寿命评估需求，解决了在役及待服役氢能装备无法原位无损检测的难题。
二、技术成熟程度
研制开发阶段,形成样机、样品或软件
三、推广合作方式
整体转让、技术许可、作价入股、合作开发
四、团队简介
中国石油大学（华东）新能源学院“能源与化工装备安全创新团队”是一个以能源装备设计制造及安全保障为研究特色的创新型团队，入选山东省高等学校优秀青年创新团队（2019年），团队负责人蒋文春教授，入选教育部青年长江学者、山东省泰山学者特聘专家、山东省杰青；获中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖1项（1/15）、技术发明一等奖1项(2/5)和青年科学技术突出贡献奖1项、中国石油和化学工业联合会优秀教材奖一等奖1项、山东省技术发明三等奖1项和第十一届山东省青年科技奖。担任International Journal of Pressure Vessels and Piping、中南大学学报英文版、中国石油大学学报自然科学版等期刊编委。中国化工学会化工机械专业委员会委员、机械工程学会材料分会高温强度委员会委员、山东省压力容器学会常委副主任委员。主持科技部“氢能技术”重点研发项目1项、国家自然科学基金企业创新发展联合基金1项、面上及青年基金3项；授权中国发明专利30件、美国发明专利1件；出版专著和教材各1部，发表SCI论文107篇（第一作者47篇，通讯作者86篇）；SCI总引960次，他引651次。
五、专利授权及申请情况
1、国家发明专利：具有缓冲功能的仿生海蟑螂腿结构（授权）
2、国家发明专利：一种环节动物的仿生减震机构（授权）
六、受资助及获奖情况
1、千瓦级固体氧化物燃料电池发电系统及高可靠性电堆关键技术，重点研发项目
2、固体氧化物燃料电池关键构件多物理场耦合作用下的热机械行为研究，国家自然基金青年项目
3、多因素耦合作用下固体氧化物燃料电池钎焊自适应密封残余应力研究，国家自然基金青年项目
4、固体氧化物燃料电池柔性自适应密封高温封装关键技术研究，国家自然基金青年项目
5、PEMFC金属双极板超塑性微细成形规律研究，科技专项
6、多场耦合作用下固体氧化物燃料电池高温蠕变强度设计理论，国家自然基金面上项目
联系方式：0532-86983018。
