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【利元亨 电堆】金属堆发展新周期下的企业“攻略”

数据表明,金属板电堆的寿命并不一定比石墨板电堆寿命短,同时金属板电堆在功率、功率密度、重量、体积、抗振、批量制备、冷启动等方面优势明显。当前国内金属板电堆发展迅速,一些性能指标已达到世界先进水平,迎来了产业发展的新周期。

【利元亨 电堆】金属堆发展新周期下的企业“攻略”

在2021高工氢电年会上,新研氢能首席技术官齐志刚博士发表“金属板燃料电池迎来产业发展新周期”的主题演讲。齐志刚表示:“我从业燃料电池行业20多年,整个行业技术及工艺水平越来越高,近年来国内在技术、工艺、批量制备、示范运行等方面也进步显著,但至今燃料电池材料体系没有根本性的变化,我预计核心材料革命性的突破在短期内不会出现。”

从极板来看,极板是电堆中的核心部件,起着隔离流体、导热导电、支撑膜电极及保持电堆构型等重要作用,是影响电堆性能和寿命的关键因素。电堆对极板的设计要求很高,不能有分子大小的针眼,否则三种流体会互串;除此之外,极板还要有很好的强度。

燃料电池的运行环境很恶劣:高电压、高氧化、高湿度,所以抗腐蚀性是很难的问题。多年来,用来制作极板的材料仍然是石墨或者金属。将金属板与石墨板相比,除了没有镀层时抗腐蚀性比较差,其他的特性都超过石墨材料。

金属板的耐蚀性通过表面处理是可以解决的问题,而石墨板的阻气性、脆性、抗振差是不易解决的问题。良好的镀层会使金属板电堆的寿命不比石墨板堆寿命短。事实上,近年来,从新闻报道来看,部分企业在金属板寿命上取得了显著进步,实现从5000小时到10000小时甚至30000小时的“大跨越”。

比如2021年10月,联合燃料电池系统研发(北京)有限公司及华丰燃料电池有限公司将开始销售首个在国内面向商用车开发、生产的燃料电池系统“TLPower100”。该系统产品通过在中国本土化的研发,实现了业界顶级的711W/kg、4.9kW/L的高功率密度(额定功率101kW)和3万小时的超长耐久性。其金属电堆模块来自丰田,3万小时的耐久性几乎与当下优秀的石墨电堆性能相当。

在做好耐久性的基础上,金属板电堆可以做到更高的功率及功率密度,也可以实现更低的低温启动,甚至在零下40度也可以做到无助冷启动,易于批量生产,满足车规级要求,更具竞争力。

既然金属板优点显著,为何现阶段其发展滞后于石墨板?齐志刚认为,是因为金属板的设计与加工制造的难度非常大,与石墨板比起来不是一个数量级:1、阴极板与阳极板高度关联,不能独立设计;2、冷却液流场由阴极流场背面和阳极流场背面组成,无法单独设计;3、极板在几个工序都有变形的可能性:冲压、 清洗、焊接、镀层;4、需要考虑板材的特性与加工难度,不能有分子水平大小的针眼;5、极板的面积越大,加工难度越大。

但从市场应用来看,2021年金属板电堆领域仍然取得了显著进步。高工产研氢电研究所(GGII)数据显示,今年金属板电堆出货比重进一步增加。2021年H1已出货电堆中,石墨(含复合)板电堆占比55%,金属板电堆占比45%。预计今年全年金属板电堆有望与石墨(含复合)板电堆平分市场。

【利元亨 电堆】金属堆发展新周期下的企业“攻略”

从企业进展来看,参与金属板及电堆和系统的企业数量大幅度提升,一些石墨板相关优势单位已经转向金属板。

新研氢能是国内金属板电堆公司中少数自主掌握了金属极板设计、成型、清洗、焊接、防腐镀层等技术和工艺,以及金属板电堆、模块、系统、测试台和电压巡检板研发制造能力处于国内外先进水平的公司。公司在金属堆上的技术和工艺链条比较完善,从始端的金属极板设计到终端的燃料电池系统集成均可独立完成,有利于成本及生产过程控制。

新研氢能拥有北京新研、大连擎研、大同新研三家子公司,分别侧重于金属极板设计及电堆研发、燃料电池系统控制集成和测试台、产业基地运营,位于大同的自主研发的金属板电堆自动化产线已于2020年4月投产。深厚的技术沉淀、完善的工艺链条、出色的测试能力及规模化的产能建设,构筑了新研氢能强大的综合竞争优势。

新研氢能也因此得到了资本方的青睐。今年以北京亦庄国际投资发展有限公司为领头的新投资方给公司注资,为公司更好更快地发展起到强有力的推动作用。

2021年以来,新研氢能在技术开发上也取得了显著成果:完成85kW和115kW金属板电堆及其相应的70kW和90kW燃料电池系统的开发,利用90kW双堆结构开发出180kW级燃料电池模块及其对应的140kW级燃料电池系统;单电池均一性良好,电堆功率密度4.4kW/L,燃料电池模块的绝缘电阻大幅提升,燃料电池系统的集成度提高、控制逻辑更加完善。

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新研氢能2022年极板电堆和系统规划:开发额定功率160kW级电堆;完成额定功率200kW电堆用金属板设计与验证;定型并提供50kW、70kW、90kW、110kW、 130kW~150kW燃料电池系统系列产品;开发出大功率电解池测试台。“我们会把工作重点从功率密度转移到工程化、集成度、可靠性、降成本等方面。”齐志刚说。

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