金屬雙極板達到產業化預期?
日前,現代鋼鐵公司對外透露公司氫燃料電池金屬雙極板業務已步入正軌,投資200億韓元的金屬雙極板工廠預計2019年4月量產,設計年產能可滿足8000臺氫能電動汽車需求。
事實上,現代鋼鐵已具備年產1000臺電動車所需的金屬雙極板產能,目前產品主要配套現代NEXO、氫燃料公交車等。2018年9月,現代鋼鐵公司與現代汽車的合作進一步擴大,雙方簽訂“H2 Energy”供貨協議,確認將合作生產1000臺氫能電動卡車。現代鋼鐵擴產金屬雙極板也將為未來雙方更大規模的合作打下良好基礎。
現代鋼鐵發力金屬雙極板并非偶然。作為氫燃料電池組的核心材料,雙極板質量占電池組比重約60%,價格占電池組成本約40%,在電堆中主要起到均勻分配氣體、排水、導熱、導電等功能,其性能優劣直接影響電池的輸出功率和使用壽命。現階段,國內外雙極板按制造材料不同可分為石墨板、金屬板與復合板三大類。
相較于其他兩類雙極板產品,金屬雙極板具有優異的導電、導熱性能、機械加工性、致密性,以及強度高、阻氣性好等優勢,可以為汽車應用提供良好的動力密度、低溫(-40℃)啟動保障,適合大批量低成本生產。考慮到車輛空間限制問題,金屬雙極板被國內外車企,尤其是乘用車企寄予了厚望。
盡管在成型細密化、殘余應力控制、耐蝕性、設計自由度等方面存在不足,但隨著產業的發展,以及模壓、液壓、高速熱成型、防腐涂層等工藝的日趨成熟,已實現量產上市的豐田Mirai、本田Clarity、現代Nexo等燃料電池車型均不約而同地選用了金屬雙極板。
隨著科研技術進步帶來的性能改善,金屬雙極板預計將得到更多主機廠的重視,但仍不符合美國能源部(DOE)的大規模量產成本目標。調研數據顯示,當前板材SS 316L的成本約為3.5美元/ kW,高于DOE目標3美元/ kW的成品板。
相關機構認為,為進一步推進該領域的市場化發展,仍需要針對特定材料設定更接近現實條件的測試程序和目標。
盡管如此,全球范圍內的金屬雙極板研發熱情依舊高漲。
整體來看,金屬雙極板當前的研發生產主力仍為歐、美、日企業企業,瑞典Cellimpact、德國Dana、德國Grabener、美國treadstone、豐田、Plug power等是其中的佼佼者。
國內金屬雙極板產品的研發和批量化制造技術在近年來取得重大進展,但多處于研發試制階段,上海佑戈、上海治臻新能源、新源動力等企業已研制出車用燃料電池金屬雙極板,并嘗試在電堆和整車中實際應用。
數據顯示,當前國內研發的金屬雙極板厚度達到1.0-1.1mm,單極板成形從30%降低到1%以內,流道高度偏差小于15mm,接觸電阻和腐蝕電流分布達到(2.89mΩ.cm2)和(0.85mΩ.cm2),整體技術水平達到國際先進水平。
以下為國內外部分企業金屬雙極板產品研發概況:
德納控股(Dana)
2001年Dana沖壓了第一塊金屬雙極板,經過后續不斷發展,2012年Dana開始生產標準化的金屬雙極板材,通過高速沖壓工藝,采用級進模具進行切割和沖壓,提供≤100μm的微觀結構并進行接合、涂覆和密封處理。
資料顯示,Dana的第二代金屬雙極板的有效/無源面積從46%增加到52%,并將電池間距從1.2mm降低到1.0 mm,這與其他改進將一起導致電堆功率密度從2.8kW/L增加到3.5kW/ L。
2018年4月,Dana對外展出了燃料電池金屬雙極板的最新成果,通過對板材采用集成的密封和導電涂層技術,利用精密沖壓、成型以及流體管理功能,Dana以更低的成本提供了性能更優越、更可靠性的金屬雙極板產品。
豐田
豐田在氫燃料電池領域底蘊深厚,擁有大量專利,集中體現在量產的Mirai車型上。2015豐田對外宣稱將在全球范圍內開放5680項氫燃料電池技術相關專利,包括Mirai車型上的1970項關鍵技術。
雙極板層面,豐田Mirai采用了金屬雙極板,其燃料電池模塊功率密度達到3.1kW/L,總功率114kW,壽命5000h,可實現-30℃以下低溫啟動。
新源動力
新源動力采用復合板和金屬板兩種技術路線。從其電堆產品的發展歷程看,前兩代產品均為復合雙極板,第三代、第四代采用金屬雙極板。
2017年12月,新源動力與上海交通大學、上汽集團、上海治臻新能源裝備有限公司聯合完成的“汽車燃料電池大面積超薄金屬雙極板設計與精密制造技術項目”獲得了中國汽車工程學會2017年技術發明獎一等獎。
根據2018年10月,新源動力對外透露的最新情況,其采用金屬雙極板的MOD-400電堆產品功率可達60kW(60*1)/80kW,功率密度為2.5kW/L,設計耐用性達5000h,預計2018年推出。
MOD-500電堆產品功率可達100kW(100*1)/120kW,功率密度為3kW/L,設計耐用性達5000h,預計2019年推出。
目前相關產品的應用驗證尚不充分,有待在同環境下對電池產品的可靠性、耐久性等多種性能進行全面考核。
Plug Power
2018年10月,Plug Power對外宣稱將利用收購的美國燃料電池(AFC)所獲的技術,設計ProGen金屬板電堆中全新的關鍵材料。新的電堆的功率密度將加倍,行駛里程和使用周期將延長,這將為固定電源提供競爭優勢。
ProGen金屬板電堆將集成到Plug Power的ProGen氫發動機中,率先應用于貨車,公共汽車和卡車。新設計的MEA將使氫發動機的性能、成本和質量均得到有效的提升。
Treadstone
TreadStone的Lite Cell技術基于金屬防腐保護設計,該技術使用低成本金屬和廉價制造工藝制造雙極板。采用TreadStone Lite Cell 技術的燃料電池堆比目前使用的重型石墨燃料電池組輕40-50%,通過Lite Cell的防腐蝕保護,燃料電池可以保持高水平的性能和低接觸板電阻。
該技術滿足商業化車用燃料電池所需的壽命、成本和重量/體積目標,已在美國陸軍士兵便攜式電力項目上證明了可行性。
Grabener
Grabener主要從事生產用于LT-PEM,HT-PEM,DMFC和SOFC的高精度和強力隔板燃料電池相關業務,通過旗下Graebener ® PowerBoxx ®和Graebener®PowerTower®技術,Grabener可以將各種金屬的微結構與壁厚做到50μm(0.05㎜)。
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