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导读: 当前金属双极板仍不符合美国能源部(DOE)的大规模量产成本目标。调研数据显示,当前板材SS 316L的成本约为3.5美元/ kW,高于DOE目标3美元/ kW的成品板。

日前,现代钢铁公司对外透露公司氢燃料电池金属双极板业务已步入正轨,投资200亿韩元的金属双极板工厂预计2019年4月量产,设计年产能可满足8000台氢能电动汽车需求。

事实上,现代钢铁已具备年产1000台电动车所需的金属双极板产能,目前产品主要配套现代NEXO、氢燃料公交车等。2018年9月,现代钢铁公司与现代汽车的合作进一步扩大,双方签订“H2 Energy”供货协议,确认将合作生产1000台氢能电动卡车。现代钢铁扩产金属双极板也将为未来双方更大规模的合作打下良好基础。

现代钢铁发力金属双极板并非偶然。作为氢燃料电池组的核心材料,双极板质量占电池组比重约60%,价格占电池组成本约40%,在电堆中主要起到均匀分配气体、排水、导热、导电等功能,其性能优劣直接影响电池的输出功率和使用寿命。现阶段,国内外双极板按制造材料不同可分为石墨板、金属板与复合板三大类。

金属双极板达到产业化预期?

相较于其他两类双极板产品,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。

尽管在成型细密化、残余应力控制、耐蚀性、设计自由度等方面存在不足,但随着产业的发展,以及模压、液压、高速热成型、防腐涂层等工艺的日趋成熟,已实现量产上市的丰田Mirai、本田Clarity、现代Nexo等燃料电池车型均不约而同地选用了金属双极板。

随着科研技术进步带来的性能改善,金属双极板预计将得到更多主机厂的重视,但仍不符合美国能源部(DOE)的大规模量产成本目标。调研数据显示,当前板材SS 316L的成本约为3.5美元/ kW,高于DOE目标3美元/ kW的成品板。

相关机构认为,为进一步推进该领域的市场化发展,仍需要针对特定材料设定更接近现实条件的测试程序和目标。

尽管如此,全球范围内的金属双极板研发热情依旧高涨。

整体来看,金属双极板当前的研发生产主力仍为欧、美、日企业企业,瑞典Cellimpact、德国Dana、德国Grabener、美国treadstone、丰田、Plug power等是其中的佼佼者。

国内金属双极板产品的研发和批量化制造技术在近年来取得重大进展,但多处于研发试制阶段,上海佑戈、上海治臻新能源、新源动力等企业已研制出车用燃料电池金属双极板,并尝试在电堆和整车中实际应用。

数据显示,当前国内研发的金属双极板厚度达到1.0-1.1mm,单极板成形从30%降低到1%以内,流道高度偏差小于15mm,接触电阻和腐蚀电流分布达到(2.89mΩ.cm2)和(0.85mΩ.cm2),整体技术水平达到国际先进水平。

以下为国内外部分企业金属双极板产品研发概况:

德纳控股(Dana)

2001年Dana冲压了第一块金属双极板,经过后续不断发展,2012年Dana开始生产标准化的金属双极板材,通过高速冲压工艺,采用级进模具进行切割和冲压,提供≤100μm的微观结构并进行接合、涂覆和密封处理。

资料显示,Dana的第二代金属双极板的有效/无源面积从46%增加到52%,并将电池间距从1.2mm降低到1.0 mm,这与其他改进将一起导致电堆功率密度从2.8kW/L增加到3.5kW/ L。

2018年4月,Dana对外展出了燃料电池金属双极板的最新成果,通过对板材采用集成的密封和导电涂层技术,利用精密冲压、成型以及流体管理功能,Dana以更低的成本提供了性能更优越、更可靠性的金属双极板产品。

丰田

丰田在氢燃料电池领域底蕴深厚,拥有大量专利,集中体现在量产的Mirai车型上。2015丰田对外宣称将在全球范围内开放5680项氢燃料电池技术相关专利,包括Mirai车型上的1970项关键技术。

双极板层面,丰田Mirai采用了金属双极板,其燃料电池模块功率密度达到3.1kW/L,总功率114kW,寿命5000h,可实现-30℃以下低温启动。

新源动力

新源动力采用复合板和金属板两种技术路线。从其电堆产品的发展历程看,前两代产品均为复合双极板,第三代、第四代采用金属双极板。

2017年12月,新源动力与上海交通大学、上汽集团、上海治臻新能源装备有限公司联合完成的“汽车燃料电池大面积超薄金属双极板设计与精密制造技术项目”获得了中国汽车bet36体育在线网学会2017年技术发明奖一等奖。

根据2018年10月,新源动力对外透露的最新情况,其采用金属双极板的MOD-400电堆产品功率可达60kW(60*1)/80kW,功率密度为2.5kW/L,设计耐用性达5000h,预计2018年推出。

MOD-500电堆产品功率可达100kW(100*1)/120kW,功率密度为3kW/L,设计耐用性达5000h,预计2019年推出。

目前相关产品的应用验证尚不充分,有待在同环境下对电池产品的可靠性、耐久性等多种性能进行全面考核。

Plug Power

2018年10月,Plug Power对外宣称将利用收购的美国燃料电池(AFC)所获的技术,设计ProGen金属板电堆中全新的关键材料。新的电堆的功率密度将加倍,行驶里程和使用周期将延长,这将为固定电源提供竞争优势。

ProGen金属板电堆将集成到Plug Power的ProGen氢发动机中,率先应用于货车,公共汽车和卡车。新设计的MEA将使氢发动机的性能、成本和质量均得到有效的提升。

Treadstone

TreadStone的Lite Cell技术基于金属防腐保护设计,该技术使用低成本金属和廉价制造工艺制造双极板。采用TreadStone Lite Cell 技术的燃料电池堆比目前使用的重型石墨燃料电池组轻40-50%,通过Lite Cell的防腐蚀保护,燃料电池可以保持高水平的性能和低接触板电阻。

该技术满足商业化车用燃料电池所需的寿命、成本和重量/体积目标,已在美国陆军士兵便携式电力项目上证明了可行性。

Grabener

Grabener主要从事生产用于LT-PEM,HT-PEM,DMFC和SOFC的高精度和强力隔板燃料电池相关业务,通过旗下Graebener ® PowerBoxx ®和Graebener®PowerTower®技术,Grabener可以将各种金属的微结构与壁厚做到50μm(0.05㎜)。

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