經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，世界新能源汽車大會(huì)（WNEVC）于2019年7月1-3日在海南博鰲隆重召開。大會(huì)著眼于全球汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和生態(tài)環(huán)境的持續(xù)改善，通過聚集全球?qū)＜抑腔酆彤a(chǎn)業(yè)精英，共同交流探討新能源汽車在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、政策創(chuàng)新、市場(chǎng)模式創(chuàng)新等領(lǐng)域的成功經(jīng)驗(yàn)與發(fā)展趨勢(shì)，凝聚產(chǎn)業(yè)共識(shí)，明晰汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的方向，探索電動(dòng)化、智能化、共享化協(xié)同發(fā)展的有效路徑。在"氫能及燃料電池技術(shù)創(chuàng)新"的主題峰會(huì)上，上海交通大學(xué)教授來新民發(fā)表了演講，內(nèi)容如下：
各位專家中午好，我匯報(bào)的題目是《大功率車用燃料電池超薄金屬雙極板技術(shù)挑戰(zhàn)與產(chǎn)業(yè)化》。分三方面，首先是燃料電池金屬雙極板面臨的技術(shù)和挑戰(zhàn)，三縱三橫，我們國家已經(jīng)出臺(tái)了一系列國家政策，到2020年可能進(jìn)行一些比較大規(guī)模的示范運(yùn)行。實(shí)際上，電堆應(yīng)該是燃料電池的關(guān)鍵，因?yàn)殡姸咽怯蓴?shù)百片金屬極板以及膜電極裝配而成，要占到電堆系統(tǒng)的60%的成本以及整車的30%的成本。實(shí)際上，由于我們市場(chǎng)對(duì)于大功率或者長距離以及低成本的要求，目前我們國家或者地方的補(bǔ)貼政策的限制，我們電堆發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是從原來的增程式或者小功率向著全功率模式轉(zhuǎn)變。
這里面金屬極板的電堆應(yīng)該是比較適合燃料電池的乘用車，因?yàn)閺慕饘贅O板功率密度、超薄的厚度以及低熱熔和比較低的成本，相對(duì)于碳來說，使我們金屬極板可能對(duì)于乘用車是比較適合的。現(xiàn)在無論是國內(nèi)還是國際，有許許多多乘用車，比如上汽、賽克950、豐田、本田的，功率密度可能都在3.1左右，重量功率密度在2.0以上。
實(shí)際上燃料電池極板制造過程應(yīng)該是有它的特點(diǎn)，左邊的圖是金屬極板電堆自動(dòng)化裝配過程，在這個(gè)裝配過程中，極板成型誤差可能會(huì)對(duì)每片電池接觸非均勻性有比較大的影響，以及300多節(jié)疊起來裝配誤差可能會(huì)對(duì)泄露產(chǎn)生影響，金屬極板燃料電池性能對(duì)制造過程應(yīng)該說是更加敏感，基于此，金屬極板在制造過程中可能會(huì)遇到下面三個(gè)挑戰(zhàn)：一個(gè)是由于數(shù)百層單電池疊加，這就要求我們每層都需要進(jìn)行高接觸均勻性，同時(shí)需要5000小時(shí)的使用壽命，在酸性環(huán)境下電池需要高端耐蝕性，每輛車需要300、400百片極板，制造過程一定是大批量生產(chǎn)過程，因此需要制造過程的高質(zhì)量一致性。針對(duì)這三個(gè)問題遇到三個(gè)挑戰(zhàn)，如何在制造過程中精密成型或者焊接，如何在比較低價(jià)機(jī)體上制備耐久性雙極板涂層，針對(duì)大批量化如何實(shí)踐整個(gè)制造過程的穩(wěn)健工藝控制。這三個(gè)問題應(yīng)該是金屬極板比較主要面臨的挑戰(zhàn)。
第二個(gè)問題，向各位專家匯報(bào)在應(yīng)對(duì)技術(shù)挑戰(zhàn)有哪些系統(tǒng)解決方法。我們想對(duì)于金屬極板，不管是不銹鋼還是鈦合金，實(shí)際上基本工藝路線分三個(gè)階段，一個(gè)是階段是制造，從金屬極板沖壓成型以及單極板成型和雙極板焊接。第二個(gè)階段是在表面上涂層。第三個(gè)階段是批量生產(chǎn)，質(zhì)量監(jiān)控。這三個(gè)階段我們想每個(gè)階段有一個(gè)詞，第一個(gè)階段是精密，我們叫做制造。第二個(gè)階段進(jìn)行耐久性。第三個(gè)階段是工藝的穩(wěn)健設(shè)計(jì)。
第一個(gè)問題就是金屬極板的精密成型，金屬極板精度要求非常高，比如在一個(gè)300×400毫米標(biāo)準(zhǔn)極板，要求流道高度誤差可能在正負(fù)10或者15，如果打個(gè)比方，右邊的圖是相當(dāng)于足球場(chǎng)，大概是100×70米，要求草坪每個(gè)草坪高度應(yīng)該有上千萬根草，高度應(yīng)該控制在1mm以內(nèi)，金屬極板制造應(yīng)該是非常難的。這時(shí)候沖壓成型的時(shí)候，如何控制流道的高度，我們可以采用回彈的補(bǔ)償方法，怎么樣補(bǔ)償？一般補(bǔ)償都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，根據(jù)成型件彌補(bǔ)模具，實(shí)際可以提出基于應(yīng)力積分的成型回彈補(bǔ)償方法，這樣推動(dòng)我在哪一塊怎么樣進(jìn)行補(bǔ)償，這樣可以比較快速、高精度保證這么大極板的精度。
第二個(gè)是焊接，焊接過程中由于膜非常薄，要求工藝參數(shù)進(jìn)行很好的控制，這時(shí)候要進(jìn)行工藝優(yōu)化泄露，同時(shí)采用封閉的焊接，如何控制路徑優(yōu)化使變形最小。
第三個(gè)就是耐久性，在酸性環(huán)境中，由于耐久性和導(dǎo)電性是一個(gè)蹺蹺板，如何兼顧耐久性和導(dǎo)電性，使輔助電流控制在1毫米以下，接觸電阻控制在10 毫歐以下。我們要建立復(fù)合涂層，可以建立涂層分子動(dòng)力學(xué)，揭示石墨微晶非晶碳導(dǎo)電，性能與貴金屬相當(dāng)，又比貴金屬便宜很多。一層還不夠，我們需要在200納米厚度上采用20層進(jìn)行多層交替復(fù)合，使膜很致密，杜絕針孔問題。
第三個(gè)問題就是穩(wěn)健性，傳統(tǒng)燃料電池相比比傳統(tǒng)燃料電池要求高，基本都是并聯(lián)狀態(tài)，活塞和氣缸是并聯(lián)的，我保證千分之三廢品率以下就可以。我們?nèi)剂想姵?00、400節(jié)燃料電池是串聯(lián)裝備，根據(jù)燃料電池系統(tǒng)要求，通過裝配系統(tǒng)分析規(guī)定極板或者M(jìn)EA尺寸誤差。還要進(jìn)行過程穩(wěn)健設(shè)計(jì)，鋼卷和過程參數(shù)都是有波動(dòng)的，怎么樣設(shè)計(jì)工藝過程，使得對(duì)我們成型質(zhì)量，最不敏感，這要有套工藝設(shè)計(jì)方法，提高穩(wěn)定性。有了在位的檢測(cè)，包括參數(shù)的控制，使參數(shù)控制過程當(dāng)中工藝過程出于可控狀態(tài)，這樣為我們整個(gè)穩(wěn)定性打下基礎(chǔ)。因?yàn)闃O板成型出來以后，都是幾百乘幾百，整個(gè)形狀誤差是非常崎嶇不平的，我們極板還可以進(jìn)行比較好的匹配，大的對(duì)大的，小的對(duì)小的，這就保證尺寸、裝配都是很好的效果。
向大家匯報(bào)一下，我們?cè)跇O板做了產(chǎn)業(yè)化案例。我來自上海交通大學(xué)，發(fā)展過程當(dāng)中從零到一，一到十，十到一百，一開始在學(xué)校進(jìn)行基礎(chǔ)研究，包括原型設(shè)計(jì)，和上汽、新源進(jìn)行小批量的測(cè)試，又建立了產(chǎn)業(yè)化實(shí)體，推進(jìn)十到一百批量化生產(chǎn)的過程。
這是我們制造過程中的車間布置，包括智能沖壓、智能焊接以及涂裝、密封的體系。實(shí)際上這應(yīng)該是自動(dòng)化沖壓性，我們用的設(shè)備都是國產(chǎn)設(shè)備，只不過在這個(gè)過程中，我們進(jìn)行了改造，能夠達(dá)到我們非常穩(wěn)定的沖壓供應(yīng)過程控制。這是焊接，因?yàn)閱螛O板做完以后還要焊接，這是我們自主開發(fā)多工位焊接，可以進(jìn)行多品種混線生產(chǎn)，可以保證我們?cè)诤附舆^程中可以比較高效抑制焊接的變形。第三個(gè)是自己開發(fā)的連續(xù)線，可以做到每分鐘4片，可以提供單條線年產(chǎn)50萬片極板控制能力，為大批量制造提供了一些基礎(chǔ)。同時(shí)我們上海公司今年也通過大批量認(rèn)證的19694和ISO9001，為極板燃料電池未來能夠批量化或者大批量生產(chǎn)示范運(yùn)行想在極板上為行業(yè)提供一些技術(shù)保證。同時(shí)我們近幾年來我們已經(jīng)開發(fā)6代金屬極板，為上汽集團(tuán)，為新源動(dòng)力、一汽、中汽提供了一定的支持，為中國功率汽車協(xié)會(huì)對(duì)項(xiàng)目的支持。
原文鏈接：【ZAKER資訊】上海交大來新民：大功率車用燃料電池超薄金屬雙極板技術(shù)挑戰(zhàn)與產(chǎn)業(yè)化
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