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石墨板与金属板PK 谁将占据氢燃料电池主流市场?

来源:钜大LARGE    2019-03-21    点击量:558

近年来,氢燃料电池以其能量转化率高、低排放、能量和功率密度高等优点被认为是适应未来能源和环境要求的理想动力源之一。双极板作为其重要组成部分,在燃料电池工作过程中,起到了分配气体、导电、导热、排水等重要作用,寻找性能优良且成本低廉的双极板新材料和加工方法是燃料电池汽车产业化的重要课题。

目前业内双极板类型分为石墨双极板、金属双极板、复合双极板等,目前石墨双极板应用较多,金属双极板有少量应用。未来到底哪一种会占据市场主流地位,众说纷纭,且看下文:

金属双极板功率高、成本低、耐抗压,但抗腐蚀性差,成型工艺困难

自丰田MIRIA问世之后,一股以金属双极板电堆为核心的燃料电池浪潮在全球掀起,国内亦有不少金属双极板制造商崭露头角。高工氢电在巡回调研中,深入国内多家金属双极板制造商,在了解其技术研发情况的同时,就目前金属双极板的市场发展与相关企业进行交流。

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。

上海治臻总经理蓝树槐博士认为:“就技术角度而言,金属双极板的产品一致性及其残余应力控制尤为关键。微观下金属双极板基材的截面上仅有少量个数的晶体,从尺度上来说属于介观尺度微细成形工艺。因此在冲压成形的过程中,金属极板上的细密流道的成形主要通过局部拉伸减薄来实现,材料流动非常少,因此材料的破裂和回弹控制困难。在大规模量产的要求下,冲压成形工艺的公差精度保证和流道成形一致性的控制显得尤为重要。”

另一个最为业界人士所探讨的,莫过于金属双极板的表面改性。金属双极板在燃料电池工作环境下面临着腐蚀问题,需要进行表面涂层才能满足燃料电池长期稳定运行的需求。

上海佑戈CEO王永飞表示:“金属耐腐蚀性能较弱,同时质子交换膜微量降解,生成水的PH值为微弱酸性,会导致金属双极板氧电极侧氧化膜增厚,降低电池性能。基于这种情况,可采用纳米涂层的方式,使其在微观下组织连续、致密,且与基体结合良好,从而更好地发挥金属双极板的性能。”

除此之外,在专注于金属双极板核心工艺研发的同时,亦要注重与下游电堆整体的“匹配程度”。

爱德曼CEO龚靖表示:“公司核心研发团队发现,要使燃料电池核心零部件发挥最大效益,必须形成承上启下的完整设计思路。在设计电极板的同时,也要考虑到膜电极的材料选用及设计,从电极板、膜电极、电堆组装到系统进行垂直设计,才能面面俱到,使其匹配最佳、效率最高。”

然而尽管国内金属双极板的技术研发瓶颈逐渐攻克,但真正制约金属双极板产品进一步发展的是市场限制。众所周知,我国以商用车为切入点发展燃料电池,至今成绩斐然,但对于金属双极板而言,乘用车才是最佳“归处”。

多家金属双极板制造商都曾不约而同的表示,即便自家产品能够成功受到整车厂的青睐,但真正能够装车进行实际运行的少之又少,又或者运行时间和里程不足以支撑制造商进行数据分析,从而完成产品的升级迭代。但这并不影响金属双极板制造商的信心,多数企业仍旧选择坚持曾经的“入局初心”,寄希望于行业未来能有更好的发展。

石墨双极板耐腐蚀性强、导电导热性好,但气密性欠佳、成本较高、加工时间长

相较于金属双极板,得益于国家政策发展风向,在国内现已被大规模应用。

从高工产研氢电研究所(GGII)对全国主要氢燃料电池电堆及系统企业调研结果来看,中国氢燃料电池电堆以石墨双极板为主,单堆额定功率以30kW居多,且主要面向商用车领域。在高工氢电巡回过程中,深入走访了国内多家石墨双极板企业,就一系列技术及市场问题进行探讨。

正所谓家家有本难念的经,石墨双极板亦然。即便石墨双极板目前市场需求量大,但其空隙问题、成本问题以及加工时长问题仍有待完善。

对此,上海弘峻采用特殊真空加压的方式浸渍石墨双极板,减少了制造过程中的气孔问题。通过特殊的浸渍工艺及溶液,对石墨双极板进行封孔,大大减少孔隙率。在加工工艺上,则主要采用CNC设备及数控加工设备进行精修、流场设计与雕刻。

在体积大小方面,上海弘枫研发的超薄石墨双极板大大减少了燃料电池电堆的体积和重量,产品出口至美国、加拿大、意大利、韩国等国家。其超薄石墨双极板一经问世便引起业内诸多关注,但由于石墨双极板自身“易脆”的特性是有其本身材料所决定的,太薄的石墨双极板能否经受住车辆在实际运行中的震荡还有待考究。

此外,由于目前多数企业采用机械加工方式进行石墨双极板的生产,导致其加工周期过长。因此,国内亦有企业通过注塑开模的方式来缩短生产时长,提高产量,嘉裕碳素就是其中一家。该公司将特定的粘合剂加入石墨粉中进行开模,然而采用这种方式必须对原材料的把控得当,否则容易出现导电率差,强度不到位,容易发生形变等问题。

纵观当下石墨双极板制造商不难发现,国内目前多数企业均以石墨制品发家,真正进入燃料电池领域时间集中在2006年至2011年之间,之后便乘着市场发展的东风在市场上占据一定的份额。

据了解,石墨双极板在技术层面及商业化层面都相对成熟,但如若继续采用机械加工的方式,石墨双极板的成本费用实难降低,不易实现大批量生产。若要降低成本,可从石墨材料进行优化,开发出性能更优、成本更低、可供模压成型的碳基材料。

与此同时,当下“石墨双极板是否会被金属双极板所取代”亦是业内人士热议的话题之一。

对此,上海弘枫常务副总顾爱平表示:“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。”

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