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2018年新能源汽车智新峰会-新研氢能源科技有限公司总经理兼首席技术官齐志刚-汽车用燃料电池金属板电堆技术及发展现状

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2018年新能源汽车智新峰会-新研氢能源科技有限公司总经理兼首席技术官齐志刚-汽车用燃料电池金属板电堆技术及发展现状

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来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2018/11/20
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  新研氢能源科技有限公司总经理兼首席技术官 齐志刚

  11月15日,2018新能源新汽车智新峰会在北京召开,论坛重点围绕着打造关键零部件核心竞争力这一主题展开今天研讨。新研氢能源科技有限公司总经理兼首席技术官齐志刚作为嘉宾参会,发表“汽车用燃料电池金属板电堆技术及发展现状”的主旨演讲。

  大家下午好。大家可能对燃料电池有一些了解,大部分做的石墨板,石墨板比较笨重,金属板是在乘用车是必不可少的,但是它的难度的确比较大,所以我就给大家汇报一下这个金属板的情况。

  介绍我们公司,金属极版一些基本内容的介绍,国内外金属及版电堆的情况以及我们公司金属版的情况,这是我们公司办公区的一角,我们理念就是给员工提供舒适的办公环境。

  新研氢能源科技有限公司成立于2017年5月,注册资本五千万,全国工商联新能源商会理事单位。希望给客户提供优质的服务,同时公司在这个北京大连和大同设有子公司。像这套燃料电池系统已经通过了国家有关部门的强检。

  北京新研创能科技有限公司也是成立2017年5月份,现在已经成为国家高新技术企业,我们主要就是开发极板和电堆,北京这个公司就是极本和电堆,具有一千多平米的研发中心,包括必须的各种测试实验室和装备,像单电池五千瓦的测试台,还有一些测试台都正在搭建,这个电控各个方面都是我们自己做的。

  现在公司可以开发的产品包括百瓦和千瓦,用于这个水冷电堆以及无人机发电等等。大连擎研科技有限公司是2017年8月成立,具有两千多平米的研发中心,主要开发燃料电池发电系统,测试台和一些关键辅助部件。这个燃料电池测试平台功能比较齐全,界面友好,可靠性高,自动化程度高,并可个性化定制,就是根据客户的需求定制。软件、电路等等都是我们自己做的。这个测试台就是一个50千瓦的测试台,给一个客户做的测试台,现在给客户做另外一个150千瓦的测试太。

  大同新研氢能源科技有限公司是今年刚刚成立,产业园占地16.5.6亩,产能达到1万套燃料电池系统,但是分两期建设,一期只是达到一千套燃料电池系统的规模,第二期何时启动根据这个市场的情况来定。这个产业园包括一个加氢站,这是综合办公楼,生产车间,研发中心,精密加工车间,检测车间以及燃料电池库还有进行这个燃料电池车示范运营,还要建设这个燃料电池测试中心还有这个燃料电池汽车销售数据中心。

  电堆是燃料电池里面发电的部件,跟我们常规电动汽车的电池一样,电堆只是发电没有储能的功能,储能跟我们平常的车一样是在氢气罐里面,燃料电池车跑多远不是电堆决定,是由储了多少氢气决定,但是工具就是这个由电堆来决定的。电堆里面两个核心部件,一个是膜电级,还有一个是极版。现在在市场上很容易买到磨电机,但是买不到机板,没有一家卖的,因为设立到很多的专利技术问题。极板有若干个功能,极板这个有孔,有这个分子的孔,极板起一定的支撑作用,有一定的强国。再就是适应燃料电池的环境,燃料电池咱们都知道跟这个电池一样有电压,同时水蒸气这个浓度很高,又有空气在里面,所以是一个非常腐蚀性的环境,这个极板要抗腐蚀。传导热,必须有一部分变成热,要把这个热传导出来。

  这个技术腐蚀电流效于0.1V,这个本题电导率达到100S/CM。整体面电阻小于10平方厘米毫米的压力下,这个里土堆用的压力。这个总的阳离子释放量小于1MMOI/Cm2。金属极版有这个金属附着,这个附着力大于40N。这个极版的重量小于0.4Kg/每千瓦。最常用的金属极板的材料就是不锈钢,这个不锈钢这个延展性高,成本高,化学稳定性比较高,当然也有一些像铝泰镍作为金属板,变形的方式有两个,一个是冲压,这个要求难度很高当然也有这个石刻,这是我们公司这个金属板。

  在这个极板表面一定要有镀层,有贵金属,金铂银,也有导电高分子,或者这些材料的符合,像两层或者三层符合在一起,来做这个镀层。镀的方法有若干种方法,大家可以看到,最常用的就是这个物理成像方法,这个镀层还有很多缺陷,可能这个缺陷就是暴露点,有一些地方没有顾上,可能不致命,我们这个两个分子水平,下面这个底盘腐蚀了,或者这个镀层本身之间补贴不行。比如说一些不锈钢这个系数相差很多,作这个燃料电池应用的过程中,这个经常发生有可能引起这个镀的脱落。

  一个底盘怎么样建设这个镀层好不好,有几种方法:

  化学方法。这种条件,像硫酸溶等等这个负离子模拟它的方法进行测试。一种方法是一个电压并值,这个腐蚀电流多大,另外扫描这个电压,从正电压到负电压进行扫描,完全可以找到这个腐蚀平衡点以及这个平衡点这个电流,你要检查这个参数包括什么,一个是这个质量的变化,还有一个就是这个腐蚀电流到底多大,这个表明情报是不是发生了变化,这个腐蚀完了这个接触了电阻是不是发生变化,这个金属底板这个腐蚀几个原因造成这个性能或者这个寿命的下降,这个就是很关键的一点。如果你用在这个电堆,你就看看这个电极里面是不是有你这个极板的基础材料已经引进到你这个磨电里面了。

  不管见到什么样的极板,金属极板功能上都是这个样子。

  1、公共腔室。有燃料,有空气,还有冷气,也有看到三堆进出的这个公共腔室,这个面积的大小,根据这个流体的流量来进行计算,这个流量大这个腔室就会大一些。

  2、导流区。公共腔室出来的流体有效导入真正反应出去,保证每一根留到底这个流速都一样,完了这个流体的压降都是一样,如果不一样,这个极板可能到此为止这个反应不均匀,这个性能就上不去。活性区就是真正这个膜电机,参与反应的区域, 要尽量占到整个极板面积百分比大。

  大家知道这个丰田未来汽车这个功率密度基本上报道是最高,有效的使用面积,这个活性面积只占到整个面的38.5%,是有很大的改动空间。

  首先要想到刚刚提到这个功能性是什么,考虑这个可加工性,能不能加工出来,这个形变能否控制出来,不能加工出来这个板子已经变形了,还有耐久性以及成本。跟石墨相比有几项难点,阴极板和阳极板相互关联,制作的时候是分开做,但是设计的时候一定把他们两个考虑在一起,不像石墨板就是一个平板,不用考虑。这个冷却流场是由阴极流畅和阳机流场就确定了。同时需要考虑板材加工以及设计难度,这个可能很细,但是做不出来这是没有用的。还有这个镀层与板材之间需要良好的这个复制力。

  国内外金属板的电堆情况。国外主要是一些汽车企业像丰田本田现代等汽车公司,有一些燃料电池公司,Nuvera、Eiringklinger,还有Cill Impact做极板成型,还有Impactcoatings有极板镀。国内有新源动力等等。

  实现的寿命指标,乘用车这个手表大于一千个小时,一辆车大概30万公里左右,可以满足这个要求。体积功率密度是大于3千米,质量功率密度大于等于两千瓦每公斤。

  提高新研功率密度的主要方法是什么?

  1、超薄金属极板。

  2、超薄的质子交换膜。

  3、利用高效催化剂。

  4、采用特殊流道,这是丰田一个特殊的示意图,可以看看这个使用,就是相当于网一样,实际筛把这个筛网复杂得多,这个加工过程中是一条一台加工所以加工速度很慢,成本很高。一般人都不会采用这种方式。

  5,提高极板活性面积。丰田占到38%,我们自己设计已经达到了46%。

  6、降低端板的质量和体积。

  7、优化电机的方式。

  像这个是在全球都可以建,而且超过丰田。

  向大家汇报一下我们公司的一个情况。首先要进行这个制造,你这个设计要符合第一步,这个数是不是一样的,就是这样关键的技术。另外,膜具完毕就开始膜具,制造的过程中精度要求非常高,做完这个极板之后要把两个焊在一起,焊在一起之后采取什么方式,这是我们这个焊接之后大家可以看到的这个焊线,它的宽度0.2毫米,就是焊接的时候保证这个焊接的质量,是不是密封好,同时考虑牢固性、一致性是不是引起这个变形,如果这个焊完这个板子很漂亮,但是一焊就变形了,这是不行的。我们公司来讲,这是极板的成型和焊接达到了100%,这是非常关键。

  比方说一个电堆里面有两个双极板,陈频率是99%,两百片里面至少有两是有问题的,换句话说我每天这个堆里面都有可能是两片,显然是不错的。那就是应该讲,100片捡一片,这个时间是多少,即使达到了99.9也是不行的,五个电堆里面有一个电堆就有问题,达到了99.99% ,100个电堆里面也有一个问题,尽量做到100%,换句话说宁可牺牲一点其他方面的性能等等,我们一定要把这个成本率太高上去,否则这个工作量太大了。我们对不同这个电堆的特征,那么为了提过燃料电池的效率,确定这个核定功率是多少。0.68伏这个电路密度,功率密度是0.54平方米,不管是金属板还是石墨版基本的水平就是这样的。

  如果谁告诉你说这个更快,可能哪一块就不确值的地方。大家可以看到2200片跟400片这个电流密度大测试比较快,我测试台测不了这么大的工具,这个空气计量比达不到这个三倍。假如说我不是用现在这个,是用了这个丰田的膜电级可以达到什么数,跟这个参数修改一下。同时采用比较薄的膜,这电组减少了大约0.05Q平方厘米,通过这个实测的数据进行修改,就可以得到丰田,如果用这个丰田膜电机得到的数值。它同样是我0.68辅的时候这个功率密度是0.54,他的功率密度这个位置上大概是0.85这个书上我写错了,不是0.75这是0.85,比我现在功率密度增加57%左右。所以会大幅度提高。

  就是我们2020电堆的照片,这些线都是每天电压的线我都会检测,这一个主要的问题,就是这个线接的不牢,意外出了什么问题,这个接线牢不牢很关键,我们这种方式既容易插拔又保证这个检出非常牢固,做这个一片一片做的非常好,单片这个是不需要的。

  同时这个电堆如果在比较正常的空气流的情况下,我可以达到35千瓦,当然低压很高,接近0.7。那么这个电流如果电压0.62伏这个空气由于流量限制已经尽量降到2.1,但是可以达到将近49千瓦,正常情况下这个空气台仆役测试,额定功率是35千瓦,实际上可以得到将近55千瓦。我们现在国内这个市场的需求,我们主要集中在40千瓦的一个电堆研发生产度,这个峰值您就可以成1.5也没有问题,肯定可以达到60千万,它的重量是29.5公斤,从这个边是21乘,这个功率体积是2.9千瓦每升的这个功率密度。提供给客户,你不可能给客户一个裸堆,一定是有封装,你要考虑你这个安装车的器械强度,抗振动能力下棋冲撞能力,用五毫米的金属板作为这个封装壳,这个里面当然还有其他的一些部件,像电压巡检装置,现在这个重量已经达到45公斤,体积增加不消,48公斤。整个封装好的电堆1.6千瓦每升。这是80KW,电堆的基本情况,已经展示了很长的时间。

  我们没有再尝试更大功率,80KW也是已经为了一个储备,我们的政策,包括一些补贴政策,下一年就是40千瓦,我们只是知道我们做这么大,这个金属版电堆,也有一个很大的难点,别说几天,设计不好几十天就是不行了,怎么样解决这个问题。下一步的工作就是优化这个极板的条件,同时末化这个匹配度,实现一些工具的自动化或者自动化生产,可以达到年产40千瓦的规模,同时实时开发第二代进本版以及电堆。

  国际先进水平可以满族这个乘用车使用要求,大家对于客车来讲,现在全球没有任何一个实际的报导说我可以达到了一万个小时,美国能源部给这个乘用车燃料电池寿命指标是25000个小时,当然跟这个电池类似,这一吐为快说出这个寿命是你的姓名达到了10%,也就是说你达到了10%,不是说你这个玩意儿坏的。国内的金属版电子已经取得了很多的显著进步,一些单位在实验室进行三千个小时的性能。

  国内金属极本镀层费用和效率是目前一个主要瓶颈,耐久性进一步考察。我们公司来说第一代这个Sic基本上达到这个公司性能。

  非常感谢大家。谢谢。

  以上内容据峰会现场速记整理,未经嘉宾本人审阅。

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