这是在科技专项上,2018年度科技部新发布的科技专项指南里,大家可以看到有这种持续的,就是之前也有,像氢能,包括新能源汽车专项,对氢能和燃料电池技术研发的支持,这点给大家列一下就好,这是2019年的指南,依然有氢能和燃料电池的支持项目。2018年的关键部件,在技术上也取得了一些显著的提高,包括像电堆部件,中科院大连化物所,新源动力海法了新型的电堆模块,耐久性突破了5000小时,实际上现在锂电池纯电车,经过市场的运行,发现一些单位和企业有骗补的情况,对燃料电池车从标准和业界在这方面也有一定的考虑,包括在标准的层面也可以定,包括上海清能研发了0.85毫米的板厚,密度也超过了4kw/l。膜电极,武汉立功在0.8v情况下超过了400毫安/平方厘米,也是一个高功率的密度。催化剂,清华大学与武汉喜马拉雅广电科技股份有限公司共同开发催化剂,产量已经达到了1200克每天的规模。
分析与展望,基于2018年燃料电池应用市场发展的情况,展望个两三年,大家可以看到,在政策层面主要集中在交通领域,但是从前面,包括毛教授讲的,燃料电池不止是用于交通车辆的领域,当然现在补贴大家往前看,最前面的片子,如果是大型的客货车50万,地方补贴50万,100万,非常有人,其他领域还没有出台特别的经费鼓励政策。从工信部的新能源目录来看,大家看到鼓励政策里也包括小型的乘用车,但是在工信部的目录里2018年没有一辆小型的乘用车。工信部的专项,一方面是氢能,另一方面是按照新能源汽车支持的,也就是说对于燃料电池在发电,在能源,在其他领域的应用目前还没有什么支持的政策或者太明确的支持政策。也就是说,在电力能源等其他领域的燃料电池产业的应用,就是最后能用,能卖,这方面的政策还属于空缺,所以,我们在下一步一方面是做着现在有政策的春风,我们继续把这个产业往前推,把产业做好做大,另一方面也是不能忽视燃料电池在其他领域,像无人机,我们外面展会上也有,在轨道交通,甚至在船舶、发电领域的应用,可能未来两三年,这是个人的观点,在能源发电,集中式发电领域的应用,也许燃料电池的应用会取得相对的突破,这是个人简单的预测。这个就是燃料电池分会秘书处给大家做的2018年燃料电池应用发展的报告,请大家多多指正,谢谢。
主持人:感谢张主任的精彩报告,中国电器工业协会燃料电池分会也是主办方之一,一开始我们就把这样的活动从零到有一起把这个工作做了起来,现在分会也在积极推动燃料电池的行业工作,包括刚刚张主任提到的燃料电池在电力能源领域的应用,这块工作在电器工业协会现在已经有了高温电堆的标委会,为后面的工作打下了非常好的基础。
下面有请新研氢能源科技有限公司CTO齐志刚先生演讲,题目是新研氢能源金属极板及电堆开发进展。大家欢迎。
齐志刚:各位专家、各位朋友,下午好!非常荣幸有机会向大家汇报一下新研氢能源有限公司在金属极板及电堆方面的进展工作。
汇报几个方面,一个是对公司进行简单的介绍,另外关于金属极板以及金属极板电堆给大家做一个简单汇报,最关键的还是我们公司在这方面所做的工作。
新研氢能源科技有限公司成立于2017年5月份,我们的主要是开发、设计、制造电堆极板。北京新研创能科技有限公司主营业务也是极板和电堆,我们也几个成熟的实验室,有单电池、5、20、40、80KW电堆测试台,还有百挖到千瓦级空冷电堆和千瓦到百千瓦级水冷电堆。已经获得中关村国家自主创新示范区重大前沿原创技术成果转化。这是我们公司的一些测试设备和生产加工设备,这是五个测试台,完全由我们自己设计搭建,包括控制系统的软硬件,不但节约了成本,锻炼的队伍,更关键的是我们可以尝试不同的控制策略,这是空冷电堆金属极板,还有大功率的电堆,还有绑带式和模块电堆。另外一个公司在大连,是大龄擎研科技有限公司,2017年8月在大连成立,主要是做发电系统和测试台。第三个子公司是大同新研氢能源科技有限公司,是去年7月份成立的,与中通客车合作开发出了41WK燃料电池箱式物流车被工信部列入第318批公告,规划年产1万套燃料电池及其产品,达到年产一千套燃料电池,根据市场情况适时启动后期建设,包括加氢站、研发中心、生产车间,测试车间等等,同时我们在大同进行燃料电池物流车的示范运营,建设大同市燃料电池测试中心和交通数据中心。
下面向大家介绍一下金属极板的内容。很多人认为膜电极是最关键的,总说膜电极是电堆的核心部件,其实极板也是电堆里非常关键的部件,极板起到的功能非常多,所以介于有这么多功能做,对它的要求非常高,没有分子水平的针眼,还有就是要具有良好的强度,导电性,导热性,以及抗腐蚀性能。这是公认的金属极板主要技术指标要求,腐蚀电流密度小于0.1V无,腐蚀电流密度小于0.8V,本体电导率大于100s/cm,极板强度、板重。主要的材料,常规的就是不锈钢,这里列了一系列的优点,同时也有偿使其他的材料,比如钛,它比不锈钢轻一些,但是钛的延展性和成本不如不锈钢。这是我们公司开发出来的小功率空冷电堆的电堆板,上面是阴极板,下面的是阳极板,为了保证空冷电堆的散热共嫩,怎么样让电堆这么大空气量通过,空气流道的面积要做到足够大。你对0.1毫米的不锈钢,要冲出1毫米的深度非常难,所以极板的延展性是非常关键的,我也看到一些报道,也人说我的双极板做的怎么怎么薄,其实是水平差才做的薄,为什么,冲不了那么深,并不是优点,是个缺点。
镀层材料、方法、缺陷,镀层材料有金属,金属化合物类,还有碳类,导电高分子,多层复合类。这是金属极板,全球最常规的一种设计方式,可以看成三块,一共是公共腔室,第二是导流区,第三部分就是反应区,你要根据电堆功率的大小设计公共腔室的横街面积,公共流体在公共腔室的压力比较小,就可以选择比较合适的空压机或水泵。活性区尽量做的面积达一点,大家知道丰田,丰田的有效面积只有38%。重点和难点,首先保证功能性的基础上要增加功率面积,还要考虑可加工性,0.1毫米的不锈钢,能不能冲出你要的深度,如果冲不出来,设计再好也没有用。还有进行形变的控制,耐久性和成本。难点就是阴极板与阳极板相互关联,不能完全独立。冷却液流场由阴极流场和样机流场决定,无法单独设计。需要考虑板材的特性与加工难度。
国外的几个汽车公司和欧洲公司,还有一个美国公司,以及极板的镀层公司,国内列了这几家公司和大学研究所,做金属板的单位并不多。金属板电堆寿命能达到5000小时,但是我没有看到过达到一万小时的报道,不像石墨板的电堆,功率密度,丰田本田达到3.1千瓦每升,提高功率密度的方法就是几种,一种就是使用超薄的金属极板,全球试过最薄的就是0.08的材料,超薄的质子交换膜,丰田使用的是10微米,国内最薄的是18微米,使用高效的催化剂。这是丰田3D流场的示意图,这个非常艰难,而且这种流场到底起多大的作用也很难讲,因为说是为了能更大电流密度下运行,但实际上不是这种流道的情况下也不是做不到这一点。还有提高活性面积,丰田只有38%的板子有用,降低端板的质量和重量。提高电堆比功率重要手段,就是从段板和生产方式进行。
下面介绍一下我们公司关于金属极板的工作。这个金属极板在真正加工之前肯定要进行模拟仿真,如果金属极板直接做模具,一个时间非常长,另外费用很高,你不做事先优化模拟仿真等于浪费钱,所以要做一些大量的模拟仿真工作,看看两个主要的参数,一个是在每一根流道里流速是否相近,还有就是流体的压降是否非常相近,只有非常相近的情况下才能保证每一块参与反应的可能性都是一样的,所以这是我们公司的结果。上面是大功率的水冷金属极板,我们现在可以做到金属极板的有效面积分别达到56%和64%,极板成型与焊接的成品率均达到100%,双极板成本可为目前市场售价的1/10左右。现在我不知道展厅里有没有,一般来讲一块双极板的售价都是200到300块,其实完全可以降到1/10。这是一个比较典型的极化曲线,一般为了保证燃料电池的电效率,电压不会低于0.65v,一般在0.6到0.7V选择一个工作点,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。这是40kw的点,这是绑带式,整个质量29.5,额定功率40kw,峰值功率60kw,体积是21升,峰值体积功率密度是2.9kw/L,峰值重量密度是2wk/公斤。假设用我的双极板加上丰田的膜电极,它是10微米,国内最薄的是18微米,电阻最少降低0.02欧,丰田膜电极性能高30mV,如果你看到额定功率达到1.1,我估计那里有很多的水分。这是电堆模块,刚才大家看到是裸堆,这是把其他的部件封装起来,同时实现防水登记IP67,封装以后我们是用5毫米和10毫米的不锈钢做的封装外壳,充分考虑到在车上应用的震动和各种因素,所以壳体要非常结实,它的重量增加了13公斤或者44%,体积增加了13.2升,增加了63%。
我们也组装了400片的膜电极的电堆,金属极板和石墨板另外一个不同的地方,都是0.1毫米的板,非常薄,属于设计不好,这个极板和膜电极会错位,第一点你要看到错不错位,如果压下来错位说明有问题,如果不措施,一测试有错位也是有问题,我们至少没有任何错位的情况,我们也不是为了这么大的千瓦设计的,我们的极板是为40kw设计的。我们又装了一个500片的膜电极电堆,这个也没有错位的现象,这个电堆可以达到3.4千瓦每升。我们已经完全了首套膜电极自动化组装,这是两个机械手,具有组件视觉识别,自动上下料,自动纠偏,自动压紧等功能,2台机械手负责部件抓取。
下一步的工作就是优化模具及极板的成型条件,优化膜电极和极板的匹配,为60和40电堆开发新的金属极板,并实现每步半自动化或自动化生产,包括成型,焊接,镀层,封装,简陋和活化,最后实现生产全链条的自动化或半自动化,达到年产1000个40WK电堆的规模。