这个春节,习薇和赵硕过得最悠闲轻松,因为双方父母都在身边,他们这几天的节假日,除了大年初一带锤锤去参观天文馆,其余的时间不是待在家里吃好喝好玩好,就是去走访好友。
他俩都是新上海人,没有所谓的三姑六婆亲戚在这座城市里,就少了很多你来我往的礼节。
倒是顾晓晗每天都来,不过习薇和赵硕没有时间陪她闲聊,他俩有空就钻进书房里讨论年后的工作计划。
2021年下半年,盛远之前申请的好多项发明专利获得批准并且公布出来。
习薇和赵硕一一罗列出来做总结分析。特别是在超薄金属双极板技术这一块就有几十项发明专利,其中有两项是前不久才公布出来的。
一种用于金属双极板成形的导电耐蚀预涂层及其制备方法的发明。
本发明从金属基材向上,依次包括覆盖在所述金属基材表面上的离子注入层,覆盖在所述离子注入层表面的界面扩散层,以及沉积在所述界面扩散层表面导电层;离子注入层的离子包括贵金属、过渡金属或非金属中的一种或多种;界面扩散层的材质为过渡金属的碳化物或氮化物或非金属;表面导电层的材质为贵金属或导电碳材料。
本发明的离子注入层有效地提升了涂层基材之间的结合性能,扩散处理层消除了涂层缺陷并提高了均匀性,表面导电层具有优异导电耐蚀延展性能,避免了在薄板冲压成形过程中产生的涂层开裂以及剥离问题。
还有一项发明专利名称是:一种面向燃料电池金属双极板电压检测的集成式快插装置。
这种集成式快插装置,包括塑料外壳和金属簧片;塑料外壳内开设有簧片置入槽,其前端开设有翅片接口和翅片插槽,尾端开设有导线接口,翅片接口和导线接口均与簧片置入槽连通;金属簧片安装于簧片置入槽内,其前端呈夹片状、尾端呈U型,塑料外壳上设有金属簧片压紧结构;塑料外壳的两侧分别连接有导向柱和悬臂卡扣。
本发明将多个检测单元集成到一个快插装置中,实现集成式检测;塑料外壳可分体或整体制成;金属簧片压紧结构不仅对金属簧片起到压紧作用,还对接入的导线起到压紧作用;导向柱与金属双极板装配时实现导向,悬臂卡扣与金属双极板装配时实现锁定,保证集成式快插装置和金属双极板之间可靠连接。
截止2021年底,盛远共申请了90多项专利,涵盖了金属双极板从研发到成品的各个环节。
大功率燃料电池是业界正在努力探索的产品。其中金属双极板拥有轻薄优势,有助于电堆功率密度的提升,但做好金属双极板流场设计及批量化生产却极为不易。
目前盛远的金属双极板基材为0.075-0.15mm厚的不锈钢或者钛合金超薄板,表面涂层采用自主研发的UltraPVD系统。
这五年多以来,赵硕带领科研团队针对燃料电池不同应用环境,开发了MCC、MCD、MCE等多种涂层,可实现金属双极板高性能长寿命涂层的批量化生产加工。使用盛远金属极板的车用电堆首次通过乘用车工况连续5000小时耐久性测试评估。
开发长寿命电堆,钛金属做基材比较理想,但却存在难以克服的问题。
赵硕:“用钛板有利于开发出长寿命的金属板电堆,从技术设计角度来看,是可以实现的。但钛板的磨具设计与不锈钢基材的磨具设计不一样,同时冲压良品率、一致性极难把握,最关键的是成本高昂。我们作为技术研发者,可以提供钛板的技术可行性分析,但未来应用还要看市场选择。”
习薇点点头,认同赵硕的话,由于基材本身不一样,钛涂层比不锈钢涂层要容易得多,但囿于诸多因素限制,未来钛板或只能往细分高端这类量不大的市场去延伸。
他俩还谈到了行业发展环境问题:一是顶层设计缺失,燃料电池产业发展是一盘“大棋“,具体怎么落子存在不确定性;二是传统石油行业并没有到危机时刻,应该说距离尚远,新能源汽车上量任务压力大,作为刚刚兴起的燃料电池汽车更是如此;三是燃料电池行业面临人才缺失、产品成本高昂的问题,即使他们一直在降低成本化的方面下工夫,但还是没能达到预期的效果。
面对重重压力,赵硕说:“我们必须正视现实,积极挑战,扎实花大力气把产品做好。作为金属板企业,我们目前专注于把极板设计及批量生产做好。”
金属极板的高精度成形对于大功率燃料电池堆实现均匀接触压力和高效反应起着重要作用。由于金属极板通常基于超薄板冲压成形制备,因此制造误差包含形状误差、位置误差和装配误差。
为获得所需高电压和动力输出,车载燃料电池堆通常由数百片燃料电池单体串联堆叠形成。
因高生产节拍和低成本,冲压成型和焊接过程被视为双极板大批量制备的最佳选择之一。
此外,金属双极板在高功率密度、高机械强度和高导热性方面占据优势,使其成为国内外众多高功率密度燃料电池堆的极板材料。
由于薄板成型的特点,在实际制造过程中,金属双极板主要存在三类制造误差:形状误差、位置误差和装配误差。
金属极板的形状误差主要表现为翘曲(平面度误差大)和厚度均一性较差,由冲压成型过程中材料回弹、焊接过程中热应力变形和模具加工精度引起。
在电堆组装过程中,当金属极板翘曲严重,压紧力将集中在膜电极的特定局部位置,导致压力分布不均。压力低的区域接触电阻较大,压力高的地方电极材料易受损,导致电池性能下降甚至失效。极板厚度均一性直接影响流道间一致性及其与电极的接触电阻,从而影响电池性能。
此外,随着极板成形次数的累加,模具表面也会发生损耗,给极板成形精度带来不确定性。因此,控制金属极板的形状误差在合理范围或较低的水平尤为必要。
金属极板的位置误差表现为极板的脊背或槽底平行度误差较大,主要是由于模具加工精度和薄板成型过程中局部较高的冲压力等因素引起。显然,平行度误差较大直接影响与相邻极板或膜电极的接触,引起严重的面压不均等现象,甚至带来阴阳极板焊接失效和刺穿电极等问题。因此,极板成形模具的高精度加工也同样至关重要。
车载大功率燃料电池堆由数百片金属极板和膜电极层叠形成,因此对金属极板的装配精度提出高要求。
通常,极板定位孔的尺寸误差、薄板成形回弹和焊接热变形会耦合诱发装配误差变大。装配误差的存在影响相邻金属极板的对齐、导致装配偏移或错位,进而导致极板与电极接触压力分布不均匀或偏离设计值。
此外,装配误差引起的错位给膜电极施加了额外的力矩,引起膜电极变形和产生应力集中。再者,相邻极板的装配误差将使极板边缘的密封件错位,降低密封有效性,甚至引起密封失效。
前段时间习薇和赵硕、杜从远发明的密封新型技术,是他们接下来研发新产品的关键路径。