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挑戰與產業化

經國務院批准，世界新能源汽車大會（WNEVC）於2019年7月1-3日在海南博鰲隆重召開。大會著眼於全球汽車產業的轉型升級和生態環境的持續改善，通過聚集全球專家智慧和產業精英，共同交流探討新能源汽車在技術創新、產業創新、政策創新、市場模式創新等領域的成功經驗與發展趨勢，凝聚產業共識，明晰汽車產業轉型升級的方向，探索電動化、智能化、共享化協同發展的有效路徑。在「氫能及燃料電池技術創新」的主題峰會上，上海交通大學教授來新民發表了演講，內容如下：

各位專家中午好，我彙報的題目是《大功率車用燃料電池超薄金屬雙極板技術挑戰與產業化》。分三方面，首先是燃料電池金屬雙極板面臨的技術和挑戰，三縱三橫，我們國家已經出台了一系列國家政策，到2020年可能進行一些比較大規模的示範運行。實際上，電堆應該是燃料電池的關鍵，因為電堆是由數百片金屬極板以及膜電極裝配而成，要佔到電堆系統的60%的成本以及整車的30%的成本。實際上，由於我們市場對於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貼政策的限制，我們電堆發展趨勢應該是從原來的增程式或者小功率向著全功率模式轉變。

這裡面金屬極板的電堆應該是比較適合燃料電池的乘用車，因為從金屬極板功率密度、超薄的厚度以及低熱熔和比較低的成本，相對於碳來說，使我們金屬極板可能對於乘用車是比較適合的。現在無論是國內還是國際，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。

實際上燃料電池極板製造過程應該是有它的特點，左邊的圖是金屬極板電堆自動化裝配過程，在這個裝配過程中，極板成型誤差可能會對每片電池接觸非均勻性有比較大的影響，以及300多節疊起來裝配誤差可能會對泄露產生影響，金屬極板燃料電池性能對製造過程應該說是更加敏感，基於此，金屬極板在製造過程中可能會遇到下面三個挑戰：一個是由於數百層單電池疊加，這就要求我們每層都需要進行高接觸均勻性，同時需要5000小時的使用壽命，在酸性環境下電池需要高端耐蝕性，每輛車需要300、400百片極板，製造過程一定是大批量生產過程，因此需要製造過程的高質量一致性。針對這三個問題遇到三個挑戰，如何在製造過程中精密成型或者焊接，如何在比較低價機體上製備耐久性雙極板塗層，針對大批量化如何實踐整個製造過程的穩健工藝控制。這三個問題應該是金屬極板比較主要面臨的挑戰。

第二個問題，向各位專家彙報在應對技術挑戰有哪些系統解決方法。我們想對於金屬極板，不管是不鏽鋼還是鈦合金，實際上基本工藝路線分三個階段，一個是階段是製造，從金屬極板衝壓成型以及單極板成型和雙極板焊接。第二個階段是在表面上塗層。第三個階段是批量生產，質量監控。這三個階段我們想每個階段有一個詞，第一個階段是精密，我們叫做製造。第二個階段進行耐久性。第三個階段是工藝的穩健設計。

第一個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300×400毫米標準極板，要求流道高度誤差可能在正負10或者15，如果打個比方，右邊的圖是相當於足球場，大概是100×70米，要求草坪每個草坪高度應該有上千萬根草，高度應該控制在1mm以內，金屬極板製造應該是非常難的。這時候衝壓成型的時候，如何控制流道的高度，我們可以採用回彈的補償方法，怎麼樣補償？一般補償都是點對點，根據成型件彌補模具，實際可以提出基於應力積分的成型回彈補償方法，這樣推動我在哪一塊怎麼樣進行補償，這樣可以比較快速、高精度保證這麼大極板的精度。

第二個是焊接，焊接過程中由於膜非常薄，要求工藝參數進行很好的控制，這時候要進行工藝優化泄露，同時採用封閉的焊接，如何控制路徑優化使變形最小。

第三個就是耐久性，在酸性環境中，由於耐久性和導電性是一個蹺蹺板，如何兼顧耐久性和導電性，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。我們要建立複合塗層，可以建立塗層分子動力學，揭示石墨微晶非晶碳導電，性能與貴金屬相當，又比貴金屬便宜很多。一層還不夠，我們需要在200納米厚度上採用20層進行多層交替複合，使膜很緻密，杜絕針孔問題。

第三個問題就是穩健性，傳統燃料電池相比比傳統燃料電池要求高，基本都是並聯狀態，活塞和氣缸是並聯的，我保證千分之三廢品率以下就可以。我們燃料電池300、400節燃料電池是串聯裝備，根據燃料電池系統要求，通過裝配系統分析規定極板或者MEA尺寸誤差。還要進行過程穩健設計，鋼卷和過程參數都是有波動的，怎麼樣設計工藝過程，使得對我們成型質量，最不敏感，這要有套工藝設計方法，提高穩定性。有了在位的檢測，包括參數的控制，使參數控制過程當中工藝過程出於可控狀態，這樣為我們整個穩定性打下基礎。因為極板成型出來以後，都是幾百乘幾百，整個形狀誤差是非常崎嶇不平的，我們極板還可以進行比較好的匹配，大的對大的，小的對小的，這就保證尺寸、裝配都是很好的效果。

向大家彙報一下，我們在極板做了產業化案例。我來自上海交通大學，發展過程當中從零到一，一到十，十到一百，一開始在學校進行基礎研究，包括原型設計，和上汽、新源進行小批量的測試，又建立了產業化實體，推進十到一百批量化生產的過程。

這是我們製造過程中的車間布置，包括智能衝壓、智能焊接以及塗裝、密封的體系。實際上這應該是自動化衝壓性，我們用的設備都是國產設備，只不過在這個過程中，我們進行了改造，能夠達到我們非常穩定的衝壓供應過程式控制制。這是焊接，因為單極板做完以後還要焊接，這是我們自主開發多工位焊接，可以進行多品種混線生產，可以保證我們在焊接過程中可以比較高效抑制焊接的變形。第三個是自己開發的連續線，可以做到每分鐘4片，可以提供單條線年產50萬片極板控制能力，為大批量製造提供了一些基礎。同時我們上海公司今年也通過大批量認證的19694和ISO9001，為極板燃料電池未來能夠批量化或者大批量生產示範運行想在極板上為行業提供一些技術保證。同時我們近幾年來我們已經開發6代金屬極板，為上汽集團，為新源動力、一汽、中汽提供了一定的支持，為中國功率汽車協會對項目的支持。

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提示：本文為現場速記，未經專家審核，請勿轉載！

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