2019年7月1-3日,由中国科学技术协会和海南省人民政府共同举办的“2019世界新能源汽车大会(WNEVC)”在海南博鳌召开,来自10多个国家和地区的政府部门及国际组织机构,100多家新能源整车及相关企业代表以及国内外各界嘉宾共1500余人齐聚博鳌,共襄盛会,围绕“新时代 新变革 新产业”的主题,交流思想、分享经验、凝聚共识、推动合作。电车资源作为本次大会的支持媒体,对大会进行专题报道。

在7月3日的“氢能及燃料电池技术创新”主题峰会上,上海交通大学教授来新民发表了题为“大功率车用燃料电池超薄金属双极板技术挑战与产业化”的主题演讲。

上海交通大学教授来新民

以下为演讲的主要内容:

各位专家中午好,我汇报的题目是《大功率车用燃料电池超薄金属双极板技术挑战与产业化》。分三方面,首先是燃料电池金属双极板面临的技术和挑战,三纵三横,我们国家已经出台了一系列国家政策,到2020年可能进行一些比较大规模的示范运行。实际上,电堆应该是燃料电池的关键,因为电堆是由数百片金属极板以及膜电极装配而成,要占到电堆系统的60%的成本以及整车的30%的成本。实际上,由于我们市场对于大功率或者长距离以及低成本的要求,目前我们国家或者地方的补贴政策的限制,我们电堆发展趋势应该是从原来的增程式或者小功率向着全功率模式转变。

这里面金属极板的电堆应该是比较适合燃料电池的乘用车,因为从金属极板功率密度、超薄的厚度以及低热熔和比较低的成本,相对于碳来说,使我们金属极板可能对于乘用车是比较适合的。现在无论是国内还是国际,有许许多多乘用车,比如上汽、赛克950、丰田、本田的,功率密度可能都在3.1左右,重量功率密度在2.0以上。

实际上燃料电池极板制造过程应该是有它的特点,左边的图是金属极板电堆自动化装配过程,在这个装配过程中,极板成型误差可能会对每片电池接触非均匀性有比较大的影响,以及300多节叠起来装配误差可能会对泄露产生影响,金属极板燃料电池性能对制造过程应该说是更加敏感,基于此,金属极板在制造过程中可能会遇到下面三个挑战:一个是由于数百层单电池叠加,这就要求我们每层都需要进行高接触均匀性,同时需要5000小时的使用寿命,在酸性环境下电池需要高端耐蚀性,每辆车需要300、400百片极板,制造过程一定是大批量生产过程,因此需要制造过程的高质量一致性。针对这三个问题遇到三个挑战,如何在制造过程中精密成型或者焊接,如何在比较低价机体上制备耐久性双极板涂层,针对大批量化如何实践整个制造过程的稳健工艺控制。这三个问题应该是金属极板比较主要面临的挑战。

第二个问题,向各位专家汇报在应对技术挑战有哪些系统解决方法。我们想对于金属极板,不管是不锈钢还是钛合金,实际上基本工艺路线分三个阶段,一个是阶段是制造,从金属极板冲压成型以及单极板成型和双极板焊接。第二个阶段是在表面上涂层。第三个阶段是批量生产,质量监控。这三个阶段我们想每个阶段有一个词,第一个阶段是精密,我们叫做制造。第二个阶段进行耐久性。第三个阶段是工艺的稳健设计。

第一个问题就是金属极板的精密成型,金属极板精度要求非常高,比如在一个300×400毫米标准极板,要求流道高度误差可能在正负10或者15,如果打个比方,右边的图是相当于足球场,大概是100×70米,要求草坪每个草坪高度应该有上千万根草,高度应该控制在1mm以内,金属极板制造应该是非常难的。这时候冲压成型的时候,如何控制流道的高度,我们可以采用回弹的补偿方法,怎么样补偿?一般补偿都是点对点,根据成型件弥补模具,实际可以提出基于应力积分的成型回弹补偿方法,这样推动我在哪一块怎么样进行补偿,这样可以比较快速、高精度保证这么大极板的精度。

第二个是焊接,焊接过程中由于膜非常薄,要求工艺参数进行很好的控制,这时候要进行工艺优化泄露,同时采用封闭的焊接,如何控制路径优化使变形最小。

第三个就是耐久性,在酸性环境中,由于耐久性和导电性是一个跷跷板,如何兼顾耐久性和导电性,使辅助电流控制在1毫米以下,接触电阻控制在10毫欧以下。我们要建立复合涂层,可以建立涂层分子动力学,揭示石墨微晶非晶碳导电,性能与贵金属相当,又比贵金属便宜很多。一层还不够,我们需要在200纳米厚度上采用20层进行多层交替复合,使膜很致密,杜绝针孔问题。

第三个问题就是稳健性,传统燃料电池相比比传统燃料电池要求高,基本都是并联状态,活塞和气缸是并联的,我保证千分之三废品率以下就可以。我们燃料电池300、400节燃料电池是串联装备,根据燃料电池系统要求,通过装配系统分析规定极板或者MEA尺寸误差。还要进行过程稳健设计,钢卷和过程参数都是有波动的,怎么样设计工艺过程,使得对我们成型质量,最不敏感,这要有套工艺设计方法,提高稳定性。有了在位的检测,包括参数的控制,使参数控制过程当中工艺过程出于可控状态,这样为我们整个稳定性打下基础。因为极板成型出来以后,都是几百乘几百,整个形状误差是非常崎岖不平的,我们极板还可以进行比较好的匹配,大的对大的,小的对小的,这就保证尺寸、装配都是很好的效果。

向大家汇报一下,我们在极板做了产业化案例。我来自上海交通大学,发展过程当中从零到一,一到十,十到一百,一开始在学校进行基础研究,包括原型设计,和上汽、新源进行小批量的测试,又建立了产业化实体,推进十到一百批量化生产的过程。

这是我们制造过程中的车间布置,包括智能冲压、智能焊接以及涂装、密封的体系。实际上这应该是自动化冲压性,我们用的设备都是国产设备,只不过在这个过程中,我们进行了改造,能够达到我们非常稳定的冲压供应过程控制。这是焊接,因为单极板做完以后还要焊接,这是我们自主开发多工位焊接,可以进行多品种混线生产,可以保证我们在焊接过程中可以比较高效抑制焊接的变形。第三个是自己开发的连续线,可以做到每分钟4片,可以提供单条线年产50万片极板控制能力,为大批量制造提供了一些基础。同时我们上海公司今年也通过大批量认证的19694和ISO9001,为极板燃料电池未来能够批量化或者大批量生产示范运行想在极板上为行业提供一些技术保证。同时我们近几年来我们已经开发6代金属极板,为上汽集团,为新源动力、一汽、中汽提供了一定的支持,为中国功率汽车协会对项目的支持。

注:本文主要内容为现场速记,未经演讲者本人审核,请勿转载。