氢听剧场:欧阳洵——电堆核心材料及关键工艺的国产化实现

发表时间:2019-10-28 13:27


“氢听剧场”是佛山国际氢能展极具特色的活动之一,已连续举办两届,是多位行业技术专家以演讲、论道的形式,共同分享氢能行业前沿技术理念及实战干货,并进行产品发布。
以下分享10月26日下午的精彩演讲!

演讲嘉宾

董事长/总经理

CEO

北京氢璞创能科技有限公司

Beijing Nowogen technology,LTD

欧阳洵

sean.ouyang


演讲主题

电堆核心材料及关键工艺的国产化实现
The made-in-China realization of core-material   and   key-process of fuel cells stack
大家好,我讲一下做工作取得的成绩和新的,和大家分享。

      分三部分进行介绍,第一公司情况。在座有一部分朋友可能还不了解,氢璞2010年成立,早期做一些甲醇制氢,包括通信基站备电的应用。我们从2014年开始更加专注于做电堆,包括碳模板电堆,金属板电堆,氢璞现在有80多人围绕电堆,从设计到材料工艺来做。我们正在完成IATF16949的认证。氢璞整个技术团队,有多项发明专利,积极参加国家相关标准的制定。

      氢璞有四个基础,包括北京总部,北京有一个500平米的研发中心,在昌平建成。氢璞在2010年在扬州作为中式生产基地,去年在山东德州和多地国企一起合纵,在德州运营了10辆物流车,到今年年底应该有50辆物流车。前面10辆物流车到10月,到上周末跑了24万公里,这是我们现在做的成绩。

        氢璞主要是做电堆相关的一些业务,我们主要在双极板和电机等方面去做工作的。

氢璞核心技术分四个层面,整车产业链、极板、电堆膜电机、封装,涉及到材料、设计、手工工艺和自动化工艺。在膜电机和合作厂家合作,氢璞在极板材料、极板密封、叠堆在行业比较早,我们比较早一批做半自动化工艺,应该是国内第一批做自动化工艺的厂家。
氢璞目前有一条2014年投产的年产500套的电动半自动化生产线,还有一条2017年投产年产2000套电堆的全自动化产线。这条全自动化产线是国内第一条具有自主知识产权的电堆自动化产线,它主要包括极板成型、双级板密封,电堆自动叠片、封装和生产信息管理系统。这个产线是2018年投产,投产以来后续投入大量精力进行产线相关工艺水准提高,提高生产节拍,也提高相关工艺水准。目前能够实现工艺自动化程度超过90%。从今生产来看,合格率达到95%。
氢璞在厂内具备完善测试条件,从小的单片100瓦,一直到的电堆140千瓦,电堆性能测试、寿命测试、振动测试、高低温测试等等。
这张图看的是氢璞产品发展路线图,在2015年之前我们所开发的电堆基本都是在电堆功率密度和功率大小比较低,因为当时主要服务是通信备电市场。但是从2014年开始,我们开始专注于车用市场。现在我们碳复合板电堆已经完成4代产品的开发,在碳板电堆公里密度已经超过2千瓦/升。金属板电堆最新达到4.2千瓦/升的水平,在相应的性能参数和成本上都属于国际领先地位。
上面讲了公司的一些情况,下面围绕技术核心讲,讲一下电堆材料和工艺的一些工作和心得。
首先看一下燃料电池汽车成本的组成,因为现在我们做的是一个未来要面向大规模产业化,所以成本十分重要。这是根据美国能源部官方数据,这是和我们过往一些经验比较相似。燃料电池系统大概整车成本60%左右,燃料电池系统中电堆又占很大的比重。再看一下系统和电堆的一个成本目标,相对成本目标比较吓人。这是美国能源部,每一两年会有一个成本目标更新。我们拿到的是比较新的一版。燃料电池未来达到商业化水平,现在肯2020年系统成本目标是40美元/千瓦,到2025年应该35美元/千瓦,拆分到电堆成本实际上已经不到20美元/千瓦,置换成人民币是低于150元(人民币)/千瓦。
这个成本目标虽然说是依据50万辆车的水准,但是和现在实际能够做到的水平差距还是很大,所以大家必须认识到燃料电池做大规模应用,必须特别严肃面对成本问题。
从我们角度如何实现成本目标,除了批量生产可以下降成本,必须在技术、工艺、设备、国产化等等下工夫。我们思考是这样,要达到刚才说的目标,必须考虑电堆材料体系合理,如果材料不能满足最终成本也就不用去做了。其次,这个材料配方还是要自主,一方面考虑到国际贸易的一些风险和压力,另外一方面作为以技术为主的电堆厂家,能够更好匹配设计、工艺,这个材料我们认为是十分必要。
再有是工艺自动化,主要考虑大批量生产的时候靠手工工艺是不靠谱,在节拍和一致上肯定没办法满足产品要求。到最后我们需要满足产品设计要合理。这四个方面是环环相扣的,互相是不可分离的。
这里分享的是氢璞碳基复合板电堆研发路线,金属板研发路线也是类似的。它分了几个层面,首先在最上面你先明确电堆在性能、寿命、可靠性和成本上面的需求,以及燃料电池系统厂家它的集成的需求,在这些需求明确以后分三个层次完成电堆研发。第一层次包括模电机研发,极板复合材料和相应的工艺研发,极板流场的设计和验证,以及极板密封设计和工艺开发。第一层工作量是最大,如果这一层工作不扎实的话下面就很麻烦。这里面涉及大量基础材料,包括子模选型催化剂配置,要考虑极板材料、性能等等。在设计层面要考虑气比分布、应力分布、接触电阻、电特性验证,以及单片和短堆反复模拟实测。

第二层次是电堆端板,叠堆工艺和封装设计。这个层次决定了你是不是可以最后整堆发挥出极板性能。这是电堆在一致性、可靠性、寿命影响最大的。
最后一个层次是完成各种各样的测试,你不可能只做势能测试,要考虑到车载环境冷热测试,振动测试,零下启动测试,循环测试等等。这个层次通过这些测试确定电堆性能是满足我们设计的需要,而且反馈了前面两个设计层面的缺陷问题。一款电堆研发不会一二三做完就完,往往是要几个层面的反复工作需要去做,这对于电堆产品研发和开发团队的耐力、专业性能是一个特别大的考验。
这一页展示碳基复合板电堆工艺路线,我想强调重点,大家要关注电堆三大核心材料,因为材料最终能决定很多事情。三大核心材料包括极板材料、催化剂和质子交换膜。
我们主要在极板方面研发投入是最为深入的,下面我还是想从极板角度跟各位分析。
极板材料主要从原材料阶段,模压阶段和成型后的三个阶段,材料特性来考虑。最终我们的这些成型用的材料,能保证脱模完整性,表面粗糙度、电导率,接触电阻,材料的抗压抗弯,靠拉强度性能等等。从模压工艺来看需要考虑极板和模具设计,模压工艺和成型后的极板特性,最终需要极板脱模以后能够脱模完整,密度和度均匀,极板透气性满足要求。尤其是对密度和尺寸精度要求是极高,尤其是对车载应用,否则对电堆性能和可靠性没办法保证。

再往下系,首先看一下我们在模压工艺的磨损。我们对模压机和模压工艺花了很多时间,最终开发了一个比较完善的工艺流程。这里介绍一下大致的流程,包括了材料的配置、材料承重、预压和布料,下要成型。这里保证压机的下压速度、压力、保压时间,最后是材料的后处理。目前我们的目前工艺水准,在压制一块极板到最后后处理大概需要一分半左右时间,可以满足生产需求。
看一下复合材料选情和开发工作,目前我们选择的碳粉、碳纤维、树脂等基材,这里不仅考虑材料物理特性,像材料密度、电导率,最后成型极板后的抗弯程度抗压强度,比热容、导热系数等等,材料的成本是特别关注的一个重点。这张图是我们对不同复合材料做了一个参数对比。
我们对模压工艺要进行更细致的研究,主要这些研究是对材料压制压力,温度、保压时间,下压速度,去应力的方式,后处理的方式,进行参数敏感性的分析。对压制极板进行反复测试对比,最终得到一个最优的方案。
上面讲的主要是在料和工艺,下面讲一下极板模具这方面的设计,因为这几环它是完全扣在一起,不能分离去看。极板设计通常考虑流场设计、密封结构,气体分布、应力分布等等,作为一个模压板必须考虑设计和工艺是不是能够适配,最后成型极板它的平行度、平面度、厚度、沟槽尺寸公差,成型过程材料流动性和整个极板流场和密封设计的适配性,这是要考虑的。最终需要满足的一次模压成型,因为要保证生产节拍以及效率和成本。成型后尺寸公差,目前大部分可以做到0.02毫米,有的可能做到0.01毫米之内。极板最薄的地方,目前做到0.3毫米厚度下没有泄露,下一步做到0.2毫米下没有泄露。这可以满足2安培电镀密度工作条件。
我们知道高功率密度的电堆需要更轻更薄,而且满足更高电流密度运行条件,所以对极板模具材料和精度也是很高,这样压出高质量的板子。过去两三年摸索发现市场上只有极少的材料,能够满足对模具刚性强度和寿命要求,而这个精度要求更是比极板精度还要高一个数量级,对大部分模具厂家都是挑战。经过我们前几的一些摸索,目前可以成功包括氢璞3代板和4代板,相对性能可以满足我们的设计要求。
最后看一下极板成型后的后处理的重要性,这是很重要的一件事情。因为最后拿去装堆之前要进行后处理。极板这个压完表面处理方法是极板满足接触电阻要求的一个关键步骤。左上方图表现实五组不同处理方法对内阻的影响,左下方的图表现实表面处理方式对电堆性能的影响,右边两张图是在两个典型电容密度下极板性能和稳定性的数据,具体我就不讲了。

时间有限,我大概介绍一下在料和工艺的心得,找机会还可以继续探讨。
下面做一个广告,讲一下氢璞几款主要的产品。
氢璞碳复合板现在主要一个T系列一个F系列,我们内部也叫3代堆4代堆。这两款复合板电堆都采用了上面我讲的碳复合板材料和模压工艺。这两款板子在板型设计是一致的,这样我们的自动化产线,大部分工装加剧是需要替换就可以实现两个产品柔性生产,这一点对生产而言还是比较重要,比较方便。目前能达到技术指标还是不错的,刚才提到电流密度能达到2安培/平方厘米,电堆大小,最大的功率在1.5安培下达到55千瓦,达到2安培差不多要大58、60千瓦左右。满足工作压力也能够适配大部分系统厂家,功率密度达到2.1千瓦/升左右。这两款产品进行小批量生产,现在每年可以10个150片的电堆,如果200片稍微少一点点,在自动化产线制作。
刚才讲的比较多的是碳复合板电堆,其实氢璞在金属板电堆也投入大量研发,我们在美国也有一个小的氢璞金属板电堆前期研发团队,已经成立两年之久。目前已经做到第二代金属板电堆,定型已经完成,目前做相应短堆和大堆的测试。跟国内两个主流主机厂,还有几个系统厂家已经展开合作,明年上半年有望进入整车。金属板电堆亮点是功率密度比较高,功率大小峰值达到128千瓦,这样可以覆盖现有所知道车用的需求,当然,降低片数可以满足其他应用的需求,比如说60千瓦、80千瓦发动机的需求,满足起来没有问题。金属板电堆目前寿命是5000小时,我们通过一些设计和材料工艺上的提高,能够达到8000小时,在2020年。
现在我们也正在积极和上下游合作伙伴合作,努力实现金属板电堆相应的工艺和材料的国产化,我们判断2022年之后需要大批量金属板生产做准备。
最后看一下氢璞电堆实际应用,我们现在完成五款共皇车,现在在做两款工况车,到今年年底是7款到8款工况车。物流车、公交车为主,现在市场主要车型,明年可以重卡。刚才提到在山东和地方国企有合作,目前已经跑了24万公里,50辆车,每辆车超过23000公里。明年机遇氢璞电堆超过50万公里,车辆超过50辆。刚才提到重卡,重卡有些合作项目,重卡可能推出会比较快一些。
我报告到这结束,最主要和大家分享的是,我们面临的挑战主要来自韩国、日本,未来欧洲、德国向中国冲击,把市场刺激起来。作为中国电池燃料厂家,我们关注的是工艺和成本,希望整个行业都能关注这件事情。最后还是成本为王,首先得实现你批量交付、批量生产,所以最后还是成本,所以这一点希望在座各位能够重视,和我们一起努力,争取在真正市场拐点到来的时候做好准备,谢谢大家。



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