氢听剧场:齐志刚——新研氢能源金属极板、电堆和系统开发进展

发表时间:2019-10-28 13:32


“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

博士/合伙创始人/CTO

CHIEF TECHNOLOGY OFFICER

新研氢能源科技有限公司

INNOREAGEN POWER TECHNOLOGY CO., LTD.

齐志刚

QI ZHIGANG

演讲主题

新研氢能源金属极板、电堆和系统开发进展

Development of Metallic Bipolar Plates, Stacks and Systems at Innoreagen

      齐志刚:感谢仙博士。非常荣幸有这个机会汇报一下我们公司自成立以来在金属极板、电堆、系统方面所取得的一些成果。
    汇报分几方面,第一介绍新研。第二,关于金属极板简单的介绍。然后是新研在电堆和系统方面的工作,最后是小结。


    这是我们公司办公区,我们认为员工是公司支柱,所以提供舒心、宽敞、明亮的办公环境。
    母公司新研氢能源科技有限公司成立于2017年,注册资本5000万,注册地在福建省。公司专注在燃料电池领域,主要就是金属极板、电堆、发电系统和测试台。
    子公司之一是北京新研创能科技有限公司,也是2017年5月份成立的,注册资本1500万。它的定位就是极板和电堆。现在公司有20000平米的研发中心。这是自己设计搭建的测试台,包括软件、电控,全是自己做的。这不仅是为了节约成本,关键是锻炼队伍;尤其是软件、电控是自己做的,可以测试不同的策略,跟采购的设备是完全不一样。公司荣获国家和中关村高新技术企业。这是我们的健身房。
    这是刚才提到的测试台;还有金属极板的清洗、焊接和检测设备。对我们来讲这是必须的。
    这是开发的产品,包括小功能空冷电堆金属极板和大功率水冷电堆金属极板,电压巡检板,以及功率不同的电堆,绑带式或者螺杆式。这是电堆自动化组装设备,我们在大同也有另外一套,我们实现了电堆自动化组装。
    另外一家子公司是在大连,叫大连擎研科技有限公司,也是2017年成立,注册资本1500万。大连有2000多平米研发生产中心,大连专注的是发电系统和测试台。虽然北京和大连都可以做测试台,但是北京不销售测试台,但是大连可以销售测试台。
    图中最右边是50千瓦的测试台,现在他们在开发150千瓦的测试台,另外一个图是“五一”期间员工在集成20多套燃料电池系统。
    第三个子公司在大同,大同新研氢能源科技有限公司,去年成立,注册资本是3158万,其中大同市政府占5%的股份。公司跟中通客车开发出来了厢式物流车,还有与厦门金旅开发出来的公交车,分别入选工信部相关公告。

    大家看到这个产业园占地165.6亩,规划产能是年产1万套燃料电池。分期建设,一期计划今年年底完成,达到年产1000套产能。后面根据市场情况进行,因为现在燃料市场推广难度比较大,一旦市场有比较好的容量我们会启动后期。
    这块是我们要建的一期工程:包括一号厂房,活化、检测、测试楼,还有实验楼。我们同时在大同会进行燃料电池物流车和客车的示范运行,建立大同燃料电池测试中心和燃料电池车数据中心。
    这是大同的一些具体情况,刚才说的一号厂房,现在就是这个样子。中间这图是第二套电堆自动化组装设备,最右边是加氢站,每天加氢量是500公斤,其它是极板焊接产线和清洗产线。
    这个楼从后面到前面是150多米,产线包括六个环节,极板冲压、清洗、焊接、防腐涂层、密封,最后是自动化组装电堆。我们希望以后各位参观的时候,从后面进来看到极板,150多米走完以后到另外一头就可以看到电堆出来。这是我们希望能够做到的。
    现在和大家汇报一下金属极板。大家接触石墨板比较多,其实它们的功能非常相象,但是金属极板有很多非常特殊的地方。如果大家没有接触到,可能会想不到的。咱们知道极板起到分配流体,对整个电堆起支撑,同时它导电、导热。所以燃料电池使用的金属极板必须满足相关的性能要求,比如说导电性、导热性,良好的抗腐蚀性能,良好的强度,以及没有分子大小的针眼。我们知道燃料电池使用氢气、空气或者冷却液,都是分子水平的。如果有分子水平的漏眼,这个电堆就会受到影响。尤其是在北方,冷冻液是乙二醇和水,但是如果极板有漏孔的地方,这个乙二醇可能会跑到阴极和阳极,燃料电池寿命就会大大缩短。


    关于金属极板主要的技术指标,一个是腐蚀电流。腐蚀其实有两个问题。一是腐蚀导致界面接触电阻增大,另外一个是点腐蚀。因为金属极板本来就很薄,大家用的是0.1毫米不锈钢。如果某一点腐蚀了这一块就漏了,漏了以后气体会和冷却液之间互窜。还有电导率要高,强度要好,因为金属极板都是0.1毫米,非常薄,跟石墨板不一样。还有镀层附着力也要好。
    现在主要金属极板材料是这么几种。最常用是不锈钢,因为不锈钢有强度、延展性、成本和批量化生产的优点。也用其他材料,比方说铝、钛或者镍。钛成本比不锈钢高一点,它的延展性稍微差一点,要想冲出相对比较深的流道难度大一点。
    成型方面大部分用冲压方式,但是也有企业或者大学、研究所,对比较厚的金属板进行蚀刻。
    大家看到,这是我们空冷电堆极板,上面是阴极板,觉得很简单,没那么复杂,阳极板倒还挺细腻。实际上阴极板加工难度比下面的阳极板的加工难度大多了。空冷电堆是靠空气冷却,空气热容是水的四分之一,一般来讲,要想在环境温度稍微高一点的情况下把电堆温度控制住,风量就非常大。风量大,通风横截面要做得大。想做到横截面大就要把流道做得深。这和石墨板不一样;石墨板想做得深可以用厚一点的石墨,用雕刻或者磨压出流道。但是金属板怎么把1毫米的槽冲出来难度是非常大的。一般来讲0.1毫米的不锈钢冲出0.5毫米深、足够细的槽难度就很大了。
    关于镀层材料有这么几种:第一种是贵金属类的,现在欧洲还有用金的。第二类是金属化合物,如碳化物、氮化物,第三类就是碳类。国内现在用碳类比较多,国外用金属化合物比较多。
    镀层方法主要是物理气相沉积方法。不管用哪种方法,一定要注意是不是有暴露点。暴露点最严重的问题就是点腐蚀。如果用碳类材料做防腐镀层,这个碳类材料要的确致密,不能说下面金属还能和液体或者气体有接触;还有附着力。附着力有两点,一个是镀层和基底材料的附着力,二是镀层材料自身之间的附着力要比较好。另一点是热膨胀系数。
    关于金属极板的设计,这是最常用的方式。这种设计分三块,第一块是共用腔室,中间这一块是反应区,跟膜电级活性部位相对。流体从腔室出来进到反应区,肯定还要有一段,我叫导流区。中间的流道做成直的,也可能做成波浪形,各有各的优缺点。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?导流区设计是最关键的。导流区一般有几种,一种是像画的这个线一样隔开,还有一种点状,再有一种是点、线结合。这是最常用的金属极板的方式,当然另外还有蛇形的,蛇形流道。蛇形流道可以没有所谓的导流区,整个极板有效面积增加,但是会有其他问题,比如说堵水,或者说流体阻力比较大。要根据功率大小设计好共用腔室横截积的大小,使它们在流体整个流动过程中带来的压力降不要太大。
    金属极板设计首先是要考虑好金属板是干什么的,所以一定要实现功能性。第二活性面积做得大。我们知道丰田电堆功率密度达到3.1千瓦/升,实际它的极板有效面积只有38%。大家都看过丰田极板的图,它周边孔洞太多,所以有效面积并不大,它要是能做到50%到60%,功率密度会更高。
    另外是可加工性。这个看起来很简单的空冷电堆阴极板能不能加工出来,能不能冲出来,冲完以后没有分子水平的漏眼,会不会形变;还有耐久性和成本。
    难点是,第一,阴极板和阳极板互相关联,不能完全独立。设计阴极板流道的时候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,你设计出来的东西肯定有问题。第二,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,不能单独设计,这也是设计阴极板和阳极板的时候要考虑到冷却液流道是什么样的。换句话,设计板子的时候要有立体感,想到立体感觉是怎么样。这设计起来的确需要很多的想象力,之后还要考虑加工难度。
    这是国内外的做金属板的公司,包括这几个汽车公司,燃料电池公司,还有专门做极板成型的公司,及做极板镀层设备的公司。
    在国内企业有这么几个,如新源动力、上海治臻、爱德曼、上海氢晨、武汉众宇、明天氢能、北京氢璞、北京新研创能等。还有研究所如大化所,大学如上海交通大学、同济大学、北京科技大学。同济大学和北京科技大学是通过蚀刻,用比较厚的金属板,通过腐蚀方式把流道做出来。
    关于金属板电堆寿命,5000小时没有问题,但是我没有看到全球报道金属电堆在实际应用中已经超过1万个小时,这我没看到。但是我知道石墨板电堆至少有两辆车,一个在英国一个在北美,已经跑了超过3万个小时。
    提高电堆功率密度有几种方法。一是用使用超薄极板,现在用0.1毫米的比较多,也有报道用0.08毫米的,但冲出来的槽深浅可能是不一样的。半年前国内一个有名企业做了报道,它说金属双极板厚度是0.6毫米,认为这是一个很大的技术突破。对于我来说一个无能的表现,为什么?因为两块金属板厚度已经0.2毫米,0.1+0.1就是0.2。如果整个厚度是0.6,空气和氢气流道厚度加在一起深度就是0.4,再除以2,氢气这头是0.2毫米,空气是0.2毫米,非常浅。换句话说是冲不出来足够深的槽,不是你的水平高。
    使用比较薄的质子交换膜,丰田是8微米或者是10微米。还有丰田的3D流道。提高极板有效面积。刚才我反复强调怎么设计,使有效面积增加。降低端板的体积和优化电堆的紧固方式,如你是用螺杆还是绑带,如果用螺杆体积肯定会大,因为总会凸出来一些。
    丰田3D的流道可能大家都看过,但是如果细读它的专利,加工是非常复杂的,所以它的成本非常高。丰田未来会不会使用这个方式,是个问题,它也许把这个方式放弃,因为要降低成本。实际上通过这个所谓3D流道性能到底提高多少,我认为也是很难讲的。

    下面汇报一下我们的极板情况。刚才我提到的导流部分,我把它覆盖起来了。首先设计完以后要对流量、压降进行模拟仿真,进行计算。比如说60根流道,标准偏差是不是你认为比较合适的,压力降是否合适,如果不合适你要去修改,尤其是导流区,反复修改,直到达到满意的结果。
    这是金属极板的图,流道已经冲压完毕,最后裁边冲口还没有做。金属极板要形成双极板有两种方式,一个是焊接一个是粘接。粘结现在用的可能不多,焊接没准是个更好方式。这两种方式都可以用,不管用哪种方式,你设计板子的时候要考虑好。比方说这个板子是按照焊接设计,粘接是粘不住的,胶都没地方涂,所以一定要事先想。焊接要考虑一些其他因素,如要考虑密封性、牢固性、一致性、耐久性、平整度。不能焊完以后板子变形大。焊的过程通过热把两块板子熔化焊接在一起,所以一定要控制好,不会欠焊、过焊,以及板子不能变形。
    我们金属极板有效面积,水冷是56%,空冷是64%。大家看到空冷极板中间有效面积看起来很大,但实际上它就占64%,如果想把极板有效面积提高,最有效的方法是把它拉长。但是拉长会不会有其他问题,你要考虑好。
    金属板电堆情况: 这是在电堆中测试出来的燃料电池伏安曲线。大家都知道一般单电池电压关注点是0.65伏到0.7伏之间,所以我这里选了两个额定功率点,一个是0.69伏,一个是0.66伏。大家可以看一下每平方米能产多大的功率,以及峰值是多大。原则来讲,电堆的峰值功率对我们带讲不是很关键,因为在做系统的时候不可能把电堆拉到峰值功率。
    这是40千瓦电堆的一些技术指标,额定功率40千瓦,峰值功率60千瓦。额定功率乘1.5,基本上就得到峰值功率。重量是29.5,体积是21升,所以它的峰值功率密度可以达到2.9千瓦/升。
    这是我们现在的主要产品。如果我现在有丰田的膜电极情况是什么样的呢?因为大家知道丰田用的膜比较薄,所以它的电阻会下降,大概是0.02欧姆平方厘米,同时它的催化剂是铂钴合金,活性比铂高80%。80%转换成电压就是30毫伏,所以把两个数带进去,这条橙色的曲线就会上升到上面蓝线位置,在上述那两个电压点它的功率平均增加35%。换句话说,刚才40千瓦电堆是2.9千瓦/升,再乘以1.35,就可以得到3.9千瓦/升。所以利用现在的技术,电堆功率做到4千瓦/升绝对是没有问题的。
    这是电堆模块,我们这个电堆模块其实也不是很复杂,就是电堆加上巡检板。但是我们用的封装材料抗振能力比较强,用的是5和10毫米厚的材料。
    这是400片电堆,我们只是想把它摞大一点看可不可行,结果显示是可性的,但是我的极板是为40千瓦设计的。我们现在在开发更大功率的超薄金属极板。已经比预期晚了几个月,为什么晚?因为设计完要进行模拟仿真,但是结果一直不是很理想,所以一直在进行这方面的工作。
这是我们装的最大的电堆,500片,装出来以后最早放在大同进行展示。
这是电堆自动化组装设备,有两个机械手负责抓取,它具有一系列的功能。这个过程中要解决很多问题,比如抓取过程是不是抓多了、掉落了等等。
    这是空冷电堆,我想强调的是,大家看到像蜂窝状一样的结构,通空气,流道要足够深,对金属板来讲确实是难点。这是空冷电堆的性能,从曲线可以看到0.6伏,大概是在0.6安/平方厘米左右,相对来讲还行。右边的图是连续运行5个小时的一些情况,相对湿度是30%。
    这是开发出来的电压巡检板,总共是126路,每一路可以测两片,因为它的输入电压最高2.2伏。
    下面简单汇报一下燃料电池系统,大连擎研所做的工作。开发出了36千瓦和41千瓦燃料电池系统,采购石墨板电堆,不是我们自己的金属板电堆。现在使用我们金属板电堆的系统在组装过程中。
    这是两种车,一个是物流车一个是客车。
    我提到测试台,大连可以生产和销售一些功率不同的测试台,最大功率是150千瓦,大家有兴趣可以跟我联系。

    小结:下一步工作就是优化模具及极板成型条件,优化模具和极板的匹配,为60到80千瓦的电堆开发极板,完成每步半自动化或自动化生产,实现生产全链条的自动化或者半自动化,达到年产1000个大于40千瓦电堆的的规模。
    新研已经掌握了金属极板设计、清洗、焊接、防腐镀层等技术和工艺,在金属板电堆、测试台和电压巡检板方面,处于国内外先进水平。40千瓦电池的峰值体积功率可以达到2.9千瓦/升,目前正在开发60到80千瓦用的金属板电堆。极板设计和成型能进一步优化,极板和模具匹配还有优化的空间。下一步要实现每个工序和链条的半自动和全自动化生产,最后是实现年产1000个40千瓦电堆的产能。
    谢谢大家。有什么问题可以发邮件或打电话给我。


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