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探讨石墨双极板制备工艺 解读行业发展趋势
 [打印]添加时间:2023-03-10   有效期:不限 至 不限   浏览次数:110
   随着燃料电池汽车在国内示范运营的逐步推进,有关燃料电池的核心零部件也开启了国产化进程,应用于燃料电池电堆的双极板国产化进展相对较好。
 
  “目前我们的双极板产品已经被国内的主要燃料电池系统厂商所采用。”上海弘枫石墨制品有限公司一位高层告诉高工氢电,公司的双极板产品一半出口,一半供给国内的燃料电池系统厂商。
 
  目前能像上海弘枫这样的能大批量对外供货的国内企业不多,但是已经进入石墨双极板行业的公司却着实不少。
 
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  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。
 
  根据高工产研氢电研究所(GGII)统计,上半年,国内涉及燃料电池电堆双极板的供应商共有25家,25家中有16家设计、研发、生产石墨或复合双极板,11家企业设计、研发、生产金属双极板,这25家企业中有15家产品仅供自用,10家对外供货。
 
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  (数据来源:高工产研氢电研究所)
 
  “在电堆的各项零部件中,国产化程度最高的就是双极板了。”国内一家燃料电池系统企业的技术总监认为,当前国内上量的燃料电池车型中,以石墨双极板电堆为主,虽然都缺乏足够的实际运营验证,石墨双极板的主导地位5年内不会被金属双极板替代。
 
  石墨双极板为何更适用于燃料电池商用车?
 
  燃料电池双极板(Bipolar Plate,BP)又叫流场板,是电堆中的“骨架”,与膜电极层叠装配成电堆,在燃料电池中起到支撑、收集电流、分配气体,为冷却液提供通道、分隔氧化剂和还原剂等作用。
 
  从功能上来看,双极板材料是电与热的良导体、同时需要具有一定的强度以及气体致密性等;考虑到燃料电池酸性、电位、湿热环境下工作,双极板还需要具备耐腐蚀性且对燃料电池其他部件与材料的相容无污染性。
 
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  (国内一家电堆厂给出的双极板技术要求)
 
  当前,氢燃料电池常采用的双极板主要包括石墨碳板、金属双极板、复合双极板3大类,石墨双极板目前是国内应用的主流。
 
  从当前国内氢燃料电池汽车运营的实际情况来看,客车、物流车、环卫车、叉车等商用车型成为当前市场主推车型,而商用车的高频次使用场景决定了其对零部件的耐久性有要求较高。
 
  而石墨双极板正是凭借其耐久性长,因而更适合当前示范运营的燃料电池商用车领域。
 
  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。
 
  工艺持续进步国产双极板接近国际一流水平
 
  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,部分像上海弘峻这样的企业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。
 
  此外,在保持一定机械强度和良好阻气作用的前提下,双极板厚度应尽可能地薄,以减少对电流和热的传导阻力。
 
  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。
 
  “目前国内最好的石墨双极板在保证性能的情况下可以做到1.8毫米。”一位不愿具名的双极板企业高层介绍,石墨双极板的厚度还可以继续降低,预计到2020年,石墨双极板的厚度可以做到1.3毫米,电堆功率密度达到3.1kW/L,达到接近丰田第一代金属双极板的水平。
 
  模压工艺更适合大批量生产时代?
 
  据了解,双极板的加工成本占双极板整体成本的60%以上,因此,寻找成本低廉的加工方法是燃料电池汽车加快国产化的必经之路。
 
  从制作工艺路线上来看,目前国内的石墨双极板大多采用机械加工的方式,这种方式虽然节省了开模具的费用,但是制作工艺复杂,加工周期过长,从而导致成本较高。
 
  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。
 
  据了解,石墨双极板在技术层面及商业化层面都相对成熟,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,且不易实现大批量生产。但是,考虑到当前示范运营阶段的现状,采购量的不稳定,多数企业并不愿意为模压成型工艺过早投入较高的成本。
 
  “模压工艺在大批量制造方面的确有优势,但是双极板公司并不能规定产品的尺寸规格,开模的成本太高,所以,并不适合当下的现实情况。”国内一家石墨双极板技术负责人认为,模压工艺更适合大批量生产的时代,目前条件尚未成熟。
 
  除此之外,模压工艺还需要优化石墨材料,开发出性能更优、成本更低、可供模压成型的碳基材料。