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【原创】新研氢能齐志刚:掌握金属堆核心技术 推动市场化应用
燃料电池电堆 文章来源自:高工氢电网
2019-11-14 12:30:10 阅读:4327
摘要会上,齐志刚还重点分享从金属板到电堆研发制造过程中的几个难点问题。

金属堆具有体积小、重量轻、功率密度高等优势,被认为在未来燃料电池汽车上的应用潜力大,一些企业积极展开技术攻关,并取得了阶段性的技术成果。

11月13-15日,2019高工氢电年会在深圳机场凯悦酒店盛大举办。本届年会8大专场覆盖氢能和燃料电池全产业链,并特设日本专场和国际专场分享国际顶尖产品技术,邀请超400家产业链主流企业、600位行业精英参与其中,现场展示技术产品、供需现场对接。

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在11月14日举行的氢燃料电池专场一上,新研氢能源科技有限公司(下称“新研氢能”)首席技术官齐志刚发表“金属板电堆及其商业化前景”的主题演讲。

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新研氢能自主掌握了金属极板设计、清洗、焊接、防腐镀层等技术和工艺,同时金属板电堆、测试台和电压巡检板研发制造能力处于国内外先进水平。公司具备40kW金属板电堆量产能力,峰值体积功率可达2.9kW/L,目前正在开发60-80kW金属板电堆。

为了充分利用各地资源,新研氢能旗下有三家子公司,各自承担不同的职责:北京新研创能科技有限公司(下称“北京新研”)专注金属极板设计及电堆研发,大连擎研科技有限公司(下称“大连擎研”)侧重于燃料电池系统控制集成和测试台,大同新研氢能源科技有限公司(下称“大同新研”)则为产业基地和运营的突破口。

目前北京新研和大连擎研具备小批量生产能力,而大同新研则规划产能1万套,分期建设,一期厂房建设已完成,设备陆续进驻中,预计今年年底完成,达到年产1000套产能;在大同建成了一个500kg/天撬装式加氢站,便于示范运行车辆加氢。

会上,齐志刚表示,石墨板和金属板各有优缺点。石墨本身抗腐蚀能力比金属材料要好,流道设计相对容易,但石墨板脆,抗振能力不好,同时热容大,应用到电堆上时冷启动性能表现差;金属板流道设计难度大,目前防腐镀层在寿命表现上不如石墨板,但其重量轻、体积小,热容小,在冷启动表现上非常好。在功率密度上,金属板电堆功率更容易做大。

从市场应用来看,石墨板技术相对成熟些,备用电源、固定式发电、客车等领域也都有实际运行案例,现在是比较好的选择,在寿命表现上的确不错。

但不同的发展阶段对电堆要求的侧重点也会不一样。随着燃料电池汽车应用场景增加,对重量轻、体积小的金属板电堆需求更加明确。比如乘用车必然采用金属堆,而乘用车也是未来最大的市场,目前也有包括重卡在内的其他车型也在尝试用金属板电堆。加之技术不断完善,金属板可靠性、寿命也会越来越好,批量生产后成本会更低。

会上,齐志刚还重点分享了从金属板到电堆研发制造过程中的几个难点问题。

金属极板设计首先要考虑如何实现其功能性;其次如何做大活性面积;再次导流区怎么设计才能把流体导流到反应区,使每一根流道中流体流速相近、压力降相近;再是可加工性,冲压后不能有分子水平的漏眼及明显的形变,以及耐久性和成本。

阴极板和阳极板互相关联,不能完全独立。设计阴极板流道时应该想阳极板是什么样的,最后它们要合在一起。如果这一点考虑不到,设计出来的东西肯定有问题;冷却液流场完全是由阴极板背面的流场和阳极板背面的流场合在一起决定的,不能单独设计,所以在设计阴极板和阳极板时也要考虑到冷却液流道是什么样的。换言之,设计板子时要有立体感,这需要很好的想象力,之后还要考虑加工难度。

为了达到预想的效果,我们经常需要设计若干版,反复进行模拟仿真计算,直到达到要求为止。通过这关后,进入模具加工环节;试冲后需要检查板子漏不漏,平整度好不好,如果不满足要求,还得修正模具。整个过程是非常耗费时间的。所以研发有时会比预想进程要慢,但我们宁可慢一点,也要设计出最优结构,而不是简单地增加单电池数量来提高电堆功率。

我们通过对0.1mm不锈钢板材进行冲压来制备阴极板和阳极板。冲压后要检查极板是否满足要求,如是否有针眼,分子大小的针眼都是不行的。如何检查这么小的针眼也需要动脑筋好好想一想。我们开始时检查每一片极板,确实没有针眼等问题后,固化工艺和设备,在后续的生产中进行抽检。目前我们还没有掌握快速、连续检查分子大小针眼的方法,所以,保证冲压成品率高非常关键,否则,每一片极板都进行手工检查的话,生产节奏会很慢、工作量会很大。

金属阴极板和阳极板形成双极板有两种方式,一是焊接,一是粘接。粘结现在用的可能不多,焊接方式可能会更好。不管用哪种方式,设计板子时要考虑好。焊接要考虑若干因素,比如密封性、牢固性、一致性、耐久性、平整度,不能焊完以后板子变形大。焊的过程是通过热把两块板子熔化焊接在一起,所以一定要控制好,不能欠焊、过焊,以及板子不能变形。

在焊接过程中,为了把控好焊接程度及速度等,我们跟激光设备厂家要经过反复沟通,才能最终解决问题。新的问题出现了,还要继续解决。

在密封环节,电堆中的双极板和膜电极之间必须要有很好的密封,密封不良会导致气体泄露,降低氢的使用率,影响燃料电池的效率,影响电堆寿命,严重时会导致电堆无法工作。如果电堆运行时气体的压力较高,对密封的要求就更高一些。我们目前采用的是密封圈,但也在考虑其他的密封方式。

“我们已经掌握了金属板及电堆核心制备技术,我们大同生产基地整条产线共有六个工段,正在分段建设中。第一工段是极板成型,第二段是清洗,第三段是焊接,第四段是防腐涂层,第五段是密封,第六段是自动化装堆。整个产线要实现:0.1毫米金属板材从一端进去,电堆从另一端出来。预计今年年底能建完,把整条产线调通。”齐志刚透露。

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