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中钢网新闻中心钢价走势【热点聚焦】氢燃料电池未来热门,国内钢厂也来开发双极板

【热点聚焦】氢燃料电池未来热门,国内钢厂也来开发双极板

分享打印 2019-04-15 15:54 编辑:     来源: 互联网     字体: [大][中][小]    

  

  全球汽车市场对零排放解决方案的需求迅速增长。多种燃料技术路线共同发展的当下来看,燃料电池汽车(FCV),如果可以成本合算地量产,会是一个可行的路线。

  

  燃料电池发动机由大量相同的电池元件组成,每个电池元件由一块双极板和一层催化剂镀膜总成,构成阴阳电极。双极板是燃料电池堆中重要的性能元件,它负责把燃料和空气分配到两个电极表面以及电池堆散热。因此,每个双极板都必须包括一个外部的流动管道负责气体分配,和另一个独立的内部冷冻剂通道。每个双极板还必须有稳固的密封措施,这样发动机堆中发动机液可以分开控制。最后还必须要有一个导体表面或涂层使电阻损失最小化。

  

  当许多领先的汽车制造商计划在2015年内推出燃料电池汽车时,厂商对低成本、大产量的生产需求日益增高。每个燃料电池发动机里有三、四百个双极板。对于汽车行业,快速、批量、保质地生产至关重要。

  据美国帕克研究公司预测,2017年全球燃料电池的市场规模有望达157亿美元。达到这一展望值,作为燃料电池组的核心部件——双极板必须实现紧凑化,同时开发低成本量产技术。

  韩国政府在2018年12月发布的《汽车零配件提升方案》中表示,将把韩国国内氢燃料汽车总量从目前的1.5万辆提高至2022年的6.5万辆,增长3.3倍;现代汽车集团将致力于氢燃料领域的研究开发和产能扩充,目标是在2030年之前构建50万辆FCEV的生产体系。

  

  截至目前,燃料电池内的双极板主要采用石墨材料,但其价格昂贵,且耐冲击性差。如果采用300系不锈钢材料,还需要采用导电性强的金镀层,制造成本过高也限制了其应用。

  为此,浦项技术研究院的POFAS项目团队开发了燃料电池双极板专用的不锈钢POS470FC,2007—2010年间申请了国际专利,并获得了韩国能源管理公团的新再生能源系统的安全性、耐用性认证,其导电性和耐腐蚀性高于美国能源部制定的标准,并顺利通过韩国科学技术研究院17000h的电池可靠性测试。

  

  

  

  POS470FC不锈钢于2012年11月首次用于家用1kW固体高分子燃料电池组,日前已经用于现代汽车开发的第二代燃料电池系统,计划于2018年批量生产。POS470FC不仅耐腐蚀性突出,而且无需涂镀工艺就可以确保较高的导电性,制造成本可降低40%。与此同时,现有石墨材料的最小厚度为2mm,将双极板叠层后的电池组尺寸会明显增大,而如果采用POS470FC不锈钢,厚度约为70—150μm,可有效缩减电池组尺寸,体积可减少50%,重量降低30%以上,进而实现系统轻量化的效果。另一方面,浦项采用了多级冲压成形、数字机械伺服压力成形、液压成形等加工成形工艺,构建了“从材料开发和生产到成形加工”的整体解决方案。因此,POS470FC不锈钢在未来有望助推燃料电池的进一步普及。

  作为核心零部件的制造商,应当沉下心来进行技术研发,将核心技术掌握在自己手中。金属板固然有其优势,但石墨双极板必定是未来商用车领域的主流。以POS470FC为代表的新型钢材将会是国内钢材生产商在研制新能源用钢的一个重要方向。

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  在本届东京燃料电池展览会上,我国燃料电池厂商首次发布最新一代燃料电池电堆模块HYMOD-70。新产品系新源动力研发的第三代质子交换膜燃料电池,采用的是金属双极板,单堆功率85kW,电堆体积功率密度突破3.3kW/L,具备良好的低温适应性,可在-30℃启动/40℃存储,适用于乘用车和商用车。

  金属双极板具有优异的导电、导热性能、机械加工性、致密性,以及强度高、阻气性好等优势,可以为汽车应用提供良好的动力密度、低温(-40℃)启动保障,适合大批量低成本生产。考虑到车辆空间限制问题,金属双极板被国内外车企,尤其是乘用车企寄予了厚望。

  新品采用金属双极板的原因在于其体积功率密度高,结构简单,易于批量制造同时具有较好的电池水热管理优点。

  与石墨双极板相比,金属双极板具有与之相似的高导电、导热能力,但后者拥有更好的机械强度、阻气能力和抗冲击能力,所以能做到更薄更轻,可大幅度提高比功率密度。同时,金属双极板制作工序较少,且量产工艺成熟,从而可大幅降低量产成本。

  大幅降低的热容使金属板具备了更强的低温启动能力,而且双极板厚度可制备得非常薄——甚至可小于1mm,适合批量成产,大大降低了制作成本。应用于车用燃料电池时,从燃料电池高能量密度和大规模生产的需求方面考虑,金属双极板相较于石墨及复合双极板具有明显优势。

  虽然金属板在成型细密化、残余应力控制、耐蚀性、设计自由度等方面存在缺点,但随着产业的发展,相关问题已经得以解决。

  在金属成型方面,日本、欧洲等公司通过冲压、液压、高速热成型等工艺,已经解决了流道细密化和平整度问题。目前国内多家企业也已取得突破,接近或达到国外先进水平,而且成本大幅下降。

  在金属板防腐涂层方面,国内企业也早已取得突破,使材料问题不再是金属板电堆寿命的短板。因为金属在燃料电池的工作环境下易被腐蚀,所以必须对金属的表面进行改性,目前金属板表面改性涂层工艺已发展至数种,广泛采用的表面技术有化学镀,电镀,热喷涂,PVD和CVD等多种。

  在结构设计上,国内外均已趋于成熟,可以通过合理设计有效规避金属板固有的结构缺陷。丰田Mirai、本田Clarity、现代Nexo等量产燃料电池车型均采用金属双极板。

  目前国际金属双极板供应商主要有瑞典Cellimpact、美国Dana、德国Grabener、美国treadstone等,国内企业有新源动力、爱德曼氢能等。

  整体看,在欧、美、日等国家,金属双极板相关的技术、生产应用情况较好,在我国还有很大的提升空间。随着燃料电池产业化推进,金属薄板成型、表面涂层寿命等关键技术突破,金属双极板将以其比功率密度、低温启动能力、量产成本等优势,占领越来越多的市场份额。

  史文飞

 
资讯编辑:张伟伟 15838212047
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