惠州市海龍模具塑料制品有限公司：氫燃料電池高導(dǎo)電超薄復(fù)合雙極板制造技術(shù)
趙金華
復(fù)合材料事業(yè)部總監(jiān)
惠州市海龍模具塑料制品有限公司
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氫燃料電池高導(dǎo)電超薄復(fù)合雙極板制造技術(shù)
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Manufacturing technology of hydrogen fuel cell
highly conductivity ultra-thin composite bipolar plate
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大家下午好！今天我這個報告的題目是氫燃料電池高導(dǎo)電超薄復(fù)合雙極板制造技術(shù)。其實我們公司在這塊的開發(fā)時間大概只有兩年時間，目前也取得了一些進展，所以給大家做一個介紹。
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報告主要分四個部分：
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第一個是復(fù)合雙極板的介紹。
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雙極板在我們氫燃料電池電堆里面起的作用主要是引流、支撐導(dǎo)電的作用，所以它本身雙極板有一定的性能要求，一方面要求電導(dǎo)率高，因為它承載著需要有一定的機械強度，另外在導(dǎo)流電以外，還要氣密性比較好，還有一個是在我們使用過程中，因為雙極板環(huán)境下需要有一個良好的耐腐蝕性能。還有一個在我們在用的過程中還需要滿足我們基本上跟車輛同等的使用壽命。另外在對于我們汽車這一塊應(yīng)用的話，還有一個比較敏感的就是成本，所以需要極板制造效率高，需要降低它的制造成本。
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目前雙極板其實主要可以分為兩大類，一種是金屬極板，一種是石墨極板。石墨現(xiàn)在用得比較多的就是模壓的雙極板。在這一塊目前不同參數(shù)的雙極板有各自的優(yōu)勢，但相應(yīng)來說也會存在一些缺點，所以這兩種的話可以說是一個相互競爭，也是一個相互補充。金屬雙極板主要優(yōu)勢是它的機械強度好，氣密性好，極板可以做得很薄，在功率密度這一塊是很大的優(yōu)勢，但存在的問題是腐蝕性的問題，導(dǎo)致使用壽命目前是存在一些問題的。而石墨板的話在導(dǎo)電、導(dǎo)熱，包括耐腐蝕性這一塊、使用壽命這一塊是比較強的，但是目前石墨板的話其實無論是哪一種，目前因為機械強度方面的原因，導(dǎo)致整個雙極板的厚度這一塊是偏厚的，所以我們這個電堆做起來的體積是偏大的。
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而我們復(fù)合雙極板其實從嚴格意義來說也算是一種石墨級的雙基板，對于我們這個雙極板來說它的主要成分包括樹脂、導(dǎo)電材料，采用模壓工藝進行成型。石墨雙極板相對來說其實在金屬雙極板和咱們傳統(tǒng)的石墨雙極板之間可以說是做一個性能的評估，具有比較高的機械強度和比較高的韌性，所以在材料的配套設(shè)計，可以帶來這個產(chǎn)品的輕薄，另外氣密性比較好。
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在選材方面無論是樹脂還是石墨材料，包括選擇其他的材料都具有良好的耐腐蝕性能，所以使用壽命跟石墨雙極板基本上是一致的。另外在工藝路線設(shè)計的時候，我們采用的是模壓成型，所以模壓周期是在2分鐘，所以效率是比較高的，所以帶來的制造成本是比較可控的，在POR成型這一塊成本是一個比較明顯的優(yōu)勢。
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我們用復(fù)合雙極板跟傳統(tǒng)的金屬和石墨機加的雙基板做了性能的對比，因為石墨機加的雙極板比較接近于金屬雙極板，但在使用壽命和成本這一塊相比于金屬的還有石墨機壓這一塊的雙極板是有明顯的優(yōu)勢的，所以這一塊特別是在后續(xù)批量化這一塊綜合優(yōu)勢還是比較明顯的。
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第二是介紹一下復(fù)合雙極板制造的工藝路線，包括相應(yīng)的技術(shù)情況。
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這是我們復(fù)合雙極板的制作流程，簡單來說材料配方設(shè)計是導(dǎo)電材料，導(dǎo)電材料也是以石墨材料為主，再一個是攙雜在里面的樹脂配方的設(shè)計，另外還根據(jù)功能工藝方面的要求，包括性能方面的要求我們可以加一些功能增強材料。這幾種不同的材料首先是通過混料，混料之后直接把材料直接投入模具里面進行模壓固化成型，再自動脫模，脫模之后形成了雙極板的應(yīng)用級單板再進行粘接，再下來是做相關(guān)的氣密性檢測，再進行簡單的清洗，這就是我們本身雙極板的一個成品。
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在復(fù)合雙極板制造過程，我們是根據(jù)工藝路線的設(shè)計從技術(shù)這一塊分成三大塊：一是材料配方的設(shè)計。二是模壓成型需要復(fù)合雙極板的模具的設(shè)計和制造。三是模壓成型的工藝。在材料配方那一塊是決定了復(fù)合雙極板基本的性能，包括導(dǎo)電率、機械強度和耐腐蝕性，還有極板表面活性的要求。
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在模具設(shè)計這一塊就要考慮從結(jié)構(gòu)上設(shè)計，從而保證復(fù)合雙極板各個部分的成型的需求。另外加工精度的話，因為復(fù)合雙極板尺寸精度要求比較高，所以要求模具也要有一個比較高的加工精度。另外在功能設(shè)計這一塊，我們需要滿足雙極板快速成型結(jié)板的要求。
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在模壓成型這一塊首先要保證我們復(fù)合雙極板成型結(jié)構(gòu)上的完整性，因為雙極板它可以分成不同的功能分區(qū)，包括進氣分配，包括活性區(qū)，結(jié)構(gòu)還是有比較大的差異的。所以也需要通過工藝的優(yōu)化，要保證我們不同的功能區(qū)能夠一次成型出來。還有一個是復(fù)合雙極板尺寸精度的控制，這其實一方面跟我們模具的加工精度有關(guān)系，另外一方面也跟工藝密切相關(guān)，這塊在實際成型的過程中，在這種高壓成型過程中其實極板它會存在一些塑性變形，尺寸控制不好的話會導(dǎo)致成型出來的尺寸跟我們設(shè)計尺寸存在比較大的差異。同時雙極板的氣密性這塊也是跟工藝密切相關(guān)，如果在成型過程中有變形的情況，會導(dǎo)致雙極板控制不好出現(xiàn)一些開裂的情況，對產(chǎn)品的氣密性產(chǎn)生比較明顯的影響。
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具體到材料配方這塊，我們這塊包括三大部分：一是樹脂配方，樹脂起到的主要作用是提供極板需要的強度。另外對于樹脂選擇這一塊對于雙極板包括氣密性、耐腐蝕性等，還有使用的溫度這一塊是有一個比較明顯的影響。另外在樹脂的選擇這一塊也要考慮本身幾種不同材料的混合工藝的需要，還要考慮成型工藝的要求。二是石墨導(dǎo)電材料，這是提供雙極板的導(dǎo)電性能。三是功能增強才倆，是要提高雙極板的強度和韌性這一塊。這三個組分設(shè)計好了之后，我們需要把這三個組分進行混合，需要保證不同材料混合之后達到均一性和材料的一致性。
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這是我們雙極板成型的這個模壓模具設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)造，我們公司傳統(tǒng)業(yè)務(wù)是做模具這一塊的，以前主要是提供注塑模具，后來進入到復(fù)合材料成型模具，這跟我們雙極板成型的工藝的要求也有一定的相似性，所以在這一塊我們也有一定的基礎(chǔ)。
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對于雙極板來說，對于模壓成型的要求主要是包括四個方面：一是結(jié)構(gòu)上的設(shè)計。二是功能設(shè)計，滿足高效成型的要求。三是加工精度，目前對于一般普通模具的話，對于傳統(tǒng)行業(yè)的結(jié)構(gòu)模具加工精度一般在正負0.5毫米已經(jīng)是完全可以滿足要求了，但對于雙極板來說一般壓達到的精度要求是正負0.1毫米。四是模具設(shè)計的壽命、模具的硬度程度上有批量化的要求。現(xiàn)在我們初步的評估目前模具的使用壽命估計在20萬次以上。
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另外復(fù)合雙極板的成型工藝，雙極板的工藝路線來說的話，其實它這塊的工藝我們也可以分為三個部分：一個是材料混合的，剛才介紹到本身這個材料是多組份的，要保證材料的一致性，才能保證產(chǎn)品各個性能的一致性。二是模壓成型的工藝。三是固化的工藝。這需要補充一下，目前我們選擇的數(shù)據(jù)體系是一個日固型的，它需要經(jīng)過加熱、固化、成型。 成型工藝對于雙極板各方面的性能影響也是比較大的，剛才也做了一個介紹。
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所以目前在復(fù)合雙極板的制造過程中，從材料封裝設(shè)計、模具設(shè)計和制造、成型工藝這一塊，我們公司在這三大方面經(jīng)過這兩年的開發(fā)，都積累了相關(guān)的經(jīng)驗。
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三、簡單介紹一下復(fù)合雙極板的性能檢測，還有目前雙極板拿到的技術(shù)指標(biāo)的情況。
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這是我們用到的雙極板檢測設(shè)備，還有電化學(xué)工作站、氣密性檢測、電導(dǎo)率、尺寸精度、電阻測試等相關(guān)的設(shè)備。這是復(fù)合雙極板目前達到的性能指標(biāo)，包括導(dǎo)電性，導(dǎo)電性這一塊我們包括電導(dǎo)率和金屬電阻，電導(dǎo)率目前的值是達到220s/cm，這個是明顯優(yōu)于目前DOE相關(guān)的要求，彎曲強度大概是45兆帕，氣密性是可以滿足電堆使用的要求，本身長期使用溫度是大于120度，腐蝕電流密度是小于0.5，接觸角在目前測試只是在0-90度，也就是說我們這個極板表面是疏水的。另外，在單板的厚度這一塊我們是在0.6-0.95，這個0.6-0.95，我們雙極板作為輕板和陽板，陽板是一面是流場的，一面是光面的，目前可以做到0.6。而輕板的話一面是有清流的，一面是有水流場，雙面流場目前可以做到的是0.95，流道的深度各是0.3，中間材料的厚度是0.35毫米，平面厚度在0.05毫米，這是目前樣板測試能夠達到的一個技術(shù)情況。
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因為我們復(fù)合雙極板跟機壓板還涉及到模具開發(fā)的問題，所以我們也提供不同的合作開發(fā)模式來供行業(yè)內(nèi)相關(guān)客戶進行選擇。目前我們主要提供的是有三種模式：一是我們符合雙極板的標(biāo)準(zhǔn)樣件，一是我們自主設(shè)計的復(fù)合雙極板相關(guān)的結(jié)構(gòu)，目前樣件的話我們是可以直接提供給客戶進行相關(guān)的性能檢測。二是復(fù)合板的光板，一方面可以利用光板做相關(guān)的性能的測試，另外就是說對于一些有特殊要求的也可以利用這個光板進行間接的積加，積加成自己需要的流場的結(jié)構(gòu)。三是考慮到本身雙極板的開模的情況，我們也在模具的開發(fā)這一塊，為了降低本身客戶開發(fā)的成本，我們自己會承擔(dān)一定的模具的開發(fā)費用，可以按照客戶的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進行復(fù)合雙極板模壓成型的開發(fā)。
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我們對于復(fù)合雙極板的產(chǎn)能規(guī)劃，目前單條線的產(chǎn)能是在20萬片，后續(xù)根據(jù)市場的需求，我們可以為我們的產(chǎn)能進行擴大。
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四是簡單的介紹一下海龍公司。
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海龍傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)是模具設(shè)計和制造，包括注塑產(chǎn)品的加工，另外一塊是先進復(fù)合材料以及氫燃料電池關(guān)鍵核心部件的開發(fā)與制造。在氫燃料電池這一塊我們從2019年年初開始開發(fā)，目前我們的方向一是復(fù)合雙極板，另外一個是耐高壓的儲氫氣瓶，氣瓶目前是和科研院所合作開發(fā)，目前還處于前期的合作開發(fā)階段。
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海龍也是國家的高新技術(shù)企業(yè)，另外我們也是廣東省的工程技術(shù)開發(fā)中心，在體系這一塊我們也是比較完備的，也通過了ITF10949的認證。另外在復(fù)合材料和氫燃料電池這一塊也進行了相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)的布局。
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以上就是我的報告主要內(nèi)容，謝謝大家！
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