這是在科技專項上,2018年度科技部新發布的科技專項指南里,大家可以看到有這種持續的,就是之前也有,像氫能,包括新能源汽車專項,對氫能和燃料電池技術研發的支持,這點給大家列一下就好,這是2019年的指南,依然有氫能和燃料電池的支持項目。2018年的關鍵部件,在技術上也取得了一些顯著的提高,包括像電堆部件,中科院大連化物所,新源動力海法了新型的電堆模塊,耐久性突破了5000小時,實際上現在鋰電池純電車,經過市場的運行,發現一些單位和企業有騙補的情況,對燃料電池車從標準和業界在這方面也有一定的考慮,包括在標準的層面也可以定,包括上海清能研發了0.85毫米的板厚,密度也超過了4kw/l。膜電極,武漢立功在0.8v情況下超過了400毫安/平方厘米,也是一個高功率的密度。催化劑,清華大學與武漢喜馬拉雅廣電科技股份有限公司共同開發催化劑,產量已經達到了1200克每天的規模。
分析與展望,基于2018年燃料電池應用市場發展的情況,展望個兩三年,大家可以看到,在政策層面主要集中在交通領域,但是從前面,包括毛教授講的,燃料電池不止是用于交通車輛的領域,當然現在補貼大家往前看,最前面的片子,如果是大型的客貨車50萬,地方補貼50萬,100萬,非常有人,其他領域還沒有出臺特別的經費鼓勵政策。從工信部的新能源目錄來看,大家看到鼓勵政策里也包括小型的乘用車,但是在工信部的目錄里2018年沒有一輛小型的乘用車。工信部的專項,一方面是氫能,另一方面是按照新能源汽車支持的,也就是說對于燃料電池在發電,在能源,在其他領域的應用目前還沒有什么支持的政策或者太明確的支持政策。也就是說,在電力能源等其他領域的燃料電池產業的應用,就是最后能用,能賣,這方面的政策還屬于空缺,所以,我們在下一步一方面是做著現在有政策的春風,我們繼續把這個產業往前推,把產業做好做大,另一方面也是不能忽視燃料電池在其他領域,像無人機,我們外面展會上也有,在軌道交通,甚至在船舶、發電領域的應用,可能未來兩三年,這是個人的觀點,在能源發電,集中式發電領域的應用,也許燃料電池的應用會取得相對的突破,這是個人簡單的預測。這個就是燃料電池分會秘書處給大家做的2018年燃料電池應用發展的報告,請大家多多指正,謝謝。
主持人:感謝張主任的精彩報告,中國電器工業協會燃料電池分會也是主辦方之一,一開始我們就把這樣的活動從零到有一起把這個工作做了起來,現在分會也在積極推動燃料電池的行業工作,包括剛剛張主任提到的燃料電池在電力能源領域的應用,這塊工作在電器工業協會現在已經有了高溫電堆的標委會,為后面的工作打下了非常好的基礎。
下面有請新研氫能源科技有限公司CTO齊志剛先生演講,題目是新研氫能源金屬極板及電堆開發進展。大家歡迎。
齊志剛:各位專家、各位朋友,下午好!非常榮幸有機會向大家匯報一下新研氫能源有限公司在金屬極板及電堆方面的進展工作。
匯報幾個方面,一個是對公司進行簡單的介紹,另外關于金屬極板以及金屬極板電堆給大家做一個簡單匯報,最關鍵的還是我們公司在這方面所做的工作。
新研氫能源科技有限公司成立于2017年5月份,我們的主要是開發、設計、制造電堆極板。北京新研創能科技有限公司主營業務也是極板和電堆,我們也幾個成熟的實驗室,有單電池、5、20、40、80KW電堆測試臺,還有百挖到千瓦級空冷電堆和千瓦到百千瓦級水冷電堆。已經獲得中關村國家自主創新示范區重大前沿原創技術成果轉化。這是我們公司的一些測試設備和生產加工設備,這是五個測試臺,完全由我們自己設計搭建,包括控制系統的軟硬件,不但節約了成本,鍛煉的隊伍,更關鍵的是我們可以嘗試不同的控制策略,這是空冷電堆金屬極板,還有大功率的電堆,還有綁帶式和模塊電堆。另外一個公司在大連,是大齡擎研科技有限公司,2017年8月在大連成立,主要是做發電系統和測試臺。第三個子公司是大同新研氫能源科技有限公司,是去年7月份成立的,與中通客車合作開發出了41WK燃料電池箱式物流車被工信部列入第318批公告,規劃年產1萬套燃料電池及其產品,達到年產一千套燃料電池,根據市場情況適時啟動后期建設,包括加氫站、研發中心、生產車間,測試車間等等,同時我們在大同進行燃料電池物流車的示范運營,建設大同市燃料電池測試中心和交通數據中心。
下面向大家介紹一下金屬極板的內容。很多人認為膜電極是最關鍵的,總說膜電極是電堆的核心部件,其實極板也是電堆里非常關鍵的部件,極板起到的功能非常多,所以介于有這么多功能做,對它的要求非常高,沒有分子水平的針眼,還有就是要具有良好的強度,導電性,導熱性,以及抗腐蝕性能。這是公認的金屬極板主要技術指標要求,腐蝕電流密度小于0.1V無,腐蝕電流密度小于0.8V,本體電導率大于100s/cm,極板強度、板重。主要的材料,常規的就是不銹鋼,這里列了一系列的優點,同時也有償使其他的材料,比如鈦,它比不銹鋼輕一些,但是鈦的延展性和成本不如不銹鋼。這是我們公司開發出來的小功率空冷電堆的電堆板,上面是陰極板,下面的是陽極板,為了保證空冷電堆的散熱共嫩,怎么樣讓電堆這么大空氣量通過,空氣流道的面積要做到足夠大。你對0.1毫米的不銹鋼,要沖出1毫米的深度非常難,所以極板的延展性是非常關鍵的,我也看到一些報道,也人說我的雙極板做的怎么怎么薄,其實是水平差才做的薄,為什么,沖不了那么深,并不是優點,是個缺點。
鍍層材料、方法、缺陷,鍍層材料有金屬,金屬化合物類,還有碳類,導電高分子,多層復合類。這是金屬極板,全球最常規的一種設計方式,可以看成三塊,一共是公共腔室,第二是導流區,第三部分就是反應區,你要根據電堆功率的大小設計公共腔室的橫街面積,公共流體在公共腔室的壓力比較小,就可以選擇比較合適的空壓機或水泵。活性區盡量做的面積達一點,大家知道豐田,豐田的有效面積只有38%。重點和難點,首先保證功能性的基礎上要增加功率面積,還要考慮可加工性,0.1毫米的不銹鋼,能不能沖出你要的深度,如果沖不出來,設計再好也沒有用。還有進行形變的控制,耐久性和成本。難點就是陰極板與陽極板相互關聯,不能完全獨立。冷卻液流場由陰極流場和樣機流場決定,無法單獨設計。需要考慮板材的特性與加工難度。
國外的幾個汽車公司和歐洲公司,還有一個美國公司,以及極板的鍍層公司,國內列了這幾家公司和大學研究所,做金屬板的單位并不多。金屬板電堆壽命能達到5000小時,但是我沒有看到過達到一萬小時的報道,不像石墨板的電堆,功率密度,豐田本田達到3.1千瓦每升,提高功率密度的方法就是幾種,一種就是使用超薄的金屬極板,全球試過最薄的就是0.08的材料,超薄的質子交換膜,豐田使用的是10微米,國內最薄的是18微米,使用高效的催化劑。這是豐田3D流場的示意圖,這個非常艱難,而且這種流場到底起多大的作用也很難講,因為說是為了能更大電流密度下運行,但實際上不是這種流道的情況下也不是做不到這一點。還有提高活性面積,豐田只有38%的板子有用,降低端板的質量和重量。提高電堆比功率重要手段,就是從段板和生產方式進行。
下面介紹一下我們公司關于金屬極板的工作。這個金屬極板在真正加工之前肯定要進行模擬仿真,如果金屬極板直接做模具,一個時間非常長,另外費用很高,你不做事先優化模擬仿真等于浪費錢,所以要做一些大量的模擬仿真工作,看看兩個主要的參數,一個是在每一根流道里流速是否相近,還有就是流體的壓降是否非常相近,只有非常相近的情況下才能保證每一塊參與反應的可能性都是一樣的,所以這是我們公司的結果。上面是大功率的水冷金屬極板,我們現在可以做到金屬極板的有效面積分別達到56%和64%,極板成型與焊接的成品率均達到100%,雙極板成本可為目前市場售價的1/10左右。現在我不知道展廳里有沒有,一般來講一塊雙極板的售價都是200到300塊,其實完全可以降到1/10。這是一個比較典型的極化曲線,一般為了保證燃料電池的電效率,電壓不會低于0.65v,一般在0.6到0.7V選擇一個工作點,如果是0.69V就是0.55W,如果是0.66U就是0.66W,峰值是0.47V就是0.69W。這是40kw的點,這是綁帶式,整個質量29.5,額定功率40kw,峰值功率60kw,體積是21升,峰值體積功率密度是2.9kw/L,峰值重量密度是2wk/公斤。假設用我的雙極板加上豐田的膜電極,它是10微米,國內最薄的是18微米,電阻最少降低0.02歐,豐田膜電極性能高30mV,如果你看到額定功率達到1.1,我估計那里有很多的水分。這是電堆模塊,剛才大家看到是裸堆,這是把其他的部件封裝起來,同時實現防水登記IP67,封裝以后我們是用5毫米和10毫米的不銹鋼做的封裝外殼,充分考慮到在車上應用的震動和各種因素,所以殼體要非常結實,它的重量增加了13公斤或者44%,體積增加了13.2升,增加了63%。
我們也組裝了400片的膜電極的電堆,金屬極板和石墨板另外一個不同的地方,都是0.1毫米的板,非常薄,屬于設計不好,這個極板和膜電極會錯位,第一點你要看到錯不錯位,如果壓下來錯位說明有問題,如果不措施,一測試有錯位也是有問題,我們至少沒有任何錯位的情況,我們也不是為了這么大的千瓦設計的,我們的極板是為40kw設計的。我們又裝了一個500片的膜電極電堆,這個也沒有錯位的現象,這個電堆可以達到3.4千瓦每升。我們已經完全了首套膜電極自動化組裝,這是兩個機械手,具有組件視覺識別,自動上下料,自動糾偏,自動壓緊等功能,2臺機械手負責部件抓取。
下一步的工作就是優化模具及極板的成型條件,優化膜電極和極板的匹配,為60和40電堆開發新的金屬極板,并實現每步半自動化或自動化生產,包括成型,焊接,鍍層,封裝,簡陋和活化,最后實現生產全鏈條的自動化或半自動化,達到年產1000個40WK電堆的規模。




