从国际氢能及燃料电池展全面观察核心技术发展-金属双极板

发表于：2019-09-02 来源：

燃料电池电堆是燃料电池的最核心部分，其核心部件包括质子交换膜和双极板等。其中双极板被称为燃料电池电堆的“骨架”（直接影响着电堆的重量和体积），其可以起到收集传导电流、分隔反应气体、支撑电池以及冷却等作用，并直接决定了电堆的输出功率大小和使用寿命。由于双极板在燃料电池电堆的重要地位，对它也提出了高要求，须具有高导电性和气密性、耐腐蚀性、高机械强度、重量轻等特性，并在实际生产上要求双极板容易加工、尺寸变化率低，成本可控制。目前，双极板按照制造材料，可分为石墨板、金属板和复合板，三类双极板在性质上和应用场景上各具特点。2019年的日本燃料电池展会上，金属双极板成为双极板展品的主流，也引起众多观众的咨询相关产品信息。本文将对金属双极板的国内外主要生产厂家及其产品性能参数进行介绍。

2019年日本国际氢能及燃料电池展览会（FC EXPO）上，高级检索分析师关婧如、刘胜在观展之后从储氢瓶、电堆、动力系统、空压机和金属双极板五个角度进行全面分析。本篇为金属双极板相关内容。其

（一）上海福宜真空设备有限公司——双极板涂层

上海福宜真空设备有限公司成立于2011年，为国家高新技术企业，先后承担上海市张江创新资金重点项目 4 项，科委产学研项目 6 项，并已获得授权发明专利 3 项，实用新型专利 20 项以上。福宜真空从事高端真空镀膜设备及核心部件的研发、生产和销售，同时开展复杂镀膜工艺研究及镀膜技术服务。公司开发的主要设备有：工模具硬质涂层镀膜设备、磁控溅射镀膜设备、多弧离子镀膜设备、磁控溅射多弧离子复合镀膜设备、连续式磁控溅射镀膜生产线、光学镀膜设备、CVD和PECVD化学气相沉积设备、ICP刻蚀设备和ALD原子层沉积设备等。

图53 福宜无人机、汽车用双极板镀膜件 via福宜产品信息

图54 福宜燃料电池双极板测试数据（清华大学检测）注：0.1mm厚316L不锈钢板材上制备400nm的石墨涂层 via福宜产品信息

福宜真空设备有限公司技术团队致力于复杂镀膜工艺的开发。目前，福宜镀膜重点研发方向为燃料电池双极板涂层（见图53，产品测试数据见图54），同时拥有自主知识产权燃料电池双极板涂层产业化设备（见图55）。

图55 福宜燃料电池双极板涂层产业化设备（左：大型单体涂层设备，50片/批；右连续式极板涂层设备，1片/min） via福宜产品信息

（二）上海佑戈金属科技有限公司

上海佑戈金属科技有限公司(YOOGLE品牌) 成立于2008年，工厂位于上海市金山工业区，是一家集研发与制造新能源核心部件和金属基新材料为主的科技型企业，为新一代燃料电池提供关键的部件；为汽车、家用电器、消费品电子、建筑等工业科技领域提供可靠的基础材料。

在燃料电池领域，YOOGLE着力新一代电池部件能通过工业规模化生产，降低各项成本，助力于新一代清洁能源技术能够快速地应用与普及。YOOGLE的主要业务包括质子交换膜燃料电池中的金属双极板、固体氧化物燃料电池中的金属连接体以及金属基涂层带材&板材。

YOOGLE可提供一种高级、性能可靠的金属基质双极板（见图56），是一种微米级精度高速成型电极板与精密焊接薄极板，采用低成本基材构成并具有优秀的纳米涂层性能。其产品的优势包括：相较于石墨双极板，具有能量密度高、不易碎、轻薄等优良特性；容易组装到燃料电池的电堆中去；使用寿命长（YOOGLE推算可达20000h以上）；PEMFC（质子交换膜燃料电池）环境腐蚀<1µA/cm2；密封性好；低电降解（＜0.5%／1000hours）；高导电性能，低接触电阻≤3mΩ•cm2；性价比高。

图56 YOOGLE金属双极板viaYOOGLE官网

同时，根据不同的应用环境，YOOGLE可以提供不同冷却方式的金属双极板（例如，水冷和空冷），小面积、中等面积和大面积功率双极板（详情见图57），并可为客户提供定制化服务。

图57 YOOGLE金属板供货参考范围via YOOGLE官网

（三） IMPACT COATINGS——双极板MAXPHASE™涂层

Impact Coatings成立于1997年。Impact Coatings AB开发并商业化PVD表面处理的创新技术。PVD是用于真空涂覆金属或陶瓷薄膜的方法。Impact Coatings已开发出金属和塑料涂层工艺组合，其中包括以商品名MAXPHASE™销售的产品。该涂层为燃料电池，汽车反射器，塑料金属化和其他应用提供独特的性能。Impact Coatings还销售INLINECOATER™PVD设备系列，这些设备将高质量涂料与经济高效且可靠的批量生产相结合。

Impact Coatings致力于增强燃料的动力，其提供的陶瓷MAXPHASE™涂层（具体工艺见图58）和INLINECOATER™FC涂层设备可使双极板具有低接触电阻、出色的耐腐蚀性、高性能以及经济实惠性等特点，并成为全球汽车公司处理PEM燃料电池中金属双极板的首选。

图58 Impact Coatings涂层工艺 via Impact Coatings产品介绍

Impact Coatings涂层过程是基于真空的等离子体处理并涉及原材料的蒸发，凝结在基材上并形成涂层。同时陶瓷MAXPHASE™（技术数据详情见图59）仅包含安全且低成本的产品材料，未涉及贵金属，因此成本低，经济实惠。

图59 Impact Coatings涂层技术数据 via Impact Coatings产品介绍

（四）Hauzer——双极板涂层

Hauzer一直是等离子涂层的先驱。自20世纪90年代，汽车供应商就开始使用等离子涂层来减少发动机的磨损和摩擦。从一开始，Hauzer就与市场领导者合作，着力研发具有最佳涂层性能的最高效涂层。

如今，Hauzer Flexicoat设备可为诸多领域生产最好的类金刚石（DLC）和氮化物涂层。未来，Hauzer将扩大其工业等离子解决方案，开发符合客户可持续发展目标的技术和设备。

Hauze同时提供双极板涂层解决方案，其在碳基涂层工艺和燃料电池应用技术方面积累了丰富的经验。在过去几年中，Hauzer已在不锈钢双极板上开发出高质量的涂层。

Ta-C涂层通常被认为是用于PEM型燃料电池的最佳解决方案。通过在整个涂层溶液中实施等离子体表面清洁和金属粘附层，已经在粘附性、导电性和耐腐蚀性方面获得了良好效果。

Hauzer正在开发批量生产设备，可用于研发和规模生产。Flexicoat®850（见图60）是最小的生产设备，可用来配备各种沉积技术工艺和涂层开发。

Flexicoat®1500（见图60）是最大的批量生产设备，可用于试制生产——每年可涂覆350,000双极板（A4尺寸，双面）。

Hauzer Inline机器每天可涂数百万个组件。它们可对2-3种尺寸的组件进行全天候生产，并能集成到高度自动化的工厂中，当需要增产时，可通过增加设备实现。此外，Metalliner®（见图60）可以每年生产1到1千万双极板（具体取决于生产配置）。

图60 Hauzer批量生产设备（左上：Flexicoat®850；右上：Flexicoat®1500；下：Metalliner®）via Hauzer产品介绍

（五）PRECORS Technologies——双极板涂层

PRECORS Technologies（以下简称PT）作为Juelich研究中心（ForschungszentrumJülich/ IEK-3）的一支雄心勃勃，积极进取的创业团队，在能源转换和储存、材料科学和电化学以及高效的实践心态方面积累了丰富的专业知识。PT提供了一种新型碳基涂层，使薄而轻的双极板成为可能，并确保了双极板的高性能和长期稳定性。

图61 PT在MIFULAS项目中设计的双极板 via PT官网

PT选择轻质薄金属双极板（如图61所示）作为其主打产品，通过使用金属双极板（与碳基材料相比）可以实现燃料电池重量和体积的明显减小（具体优势见图62）。例如，当电功率密度为0.5W / cm 3，通道深度为0.7mm（材料厚度0.1mm）时，可以节省80％的重量和60％的体积。

图62 PT金属双极板优势viaPT官网

使用PRECORS双极板进行的电池测试显示出与通过PVD（物理气相沉积）技术制备的Gold涂层板相当的高性能（具体见图63）。T此外，PRECORS涂层的亲水性能可防止液滴形成和通道堵塞。注：不锈钢316L用作所有涂层的基底材料

图63 极化曲线viaPT官网

同时，PRECORS涂层双极板还具有非常低的接触电阻（与Gold涂层相当）和高效率（详情见图64）。

图64 界面接触电阻viaPT官网

（六）VON ARDENNE——碳膜涂层金属双极板

VON ARDENNE（冯·阿登纳）成立于1991年，是从位于德国德累斯顿的曼弗雷德•冯•阿登纳研究所 (Manfred von Ardenne Research Institute) 分离出来的。凭借超过 50 年的电子束工艺经验以及 40 余年的磁控管技术能力，冯·阿登纳成为薄膜光伏领域玻璃镀膜系统和设备的领先供应商之一。

冯·阿登纳已经成功地使用物理气相沉积 (PVD) 方法在不锈钢双极板上沉积碳膜层（见图65）。在界面接触电阻 (ICR)、粘附性和防腐蚀性方面，碳膜层与镀金层的特性相似。

图65 镀膜的不锈钢双极板 via冯·阿登纳产品信息

冯·阿登纳的碳膜涂层金属双极板用于燃料电池领域，其基片形状包括三维、平面/刚性和柔性，基材采用钢制成，镀膜技术采用电子束技术, 磁控溅射（向上）, 磁控溅射（向下），其功能包括扩散阻挡层, 钝化, 防腐蚀保护，膜层和膜系为a-C。

冯·阿登纳还提供了相应的镀膜设备，包括XEA|nova®晶硅镀膜系统、SCALA模块化镀膜系统、MSC1250B金属带镀膜系统、FOBA卷绕镀膜系统和连续处理系统。

（七）SANDVIK——双极板

SANDVIK是一家高科技和全球工程集团，拥有约42,000名员工，致力于提高客户生产力、盈利能力和安全性。其业务基于材料技术方面的独特专业知识，对工业流程的广泛了解以及密切的客户合作。

这种组合加上对研发（R＆D）的持续投资，使SANDVIK在用于工业金属切削的工具和工具系统、采矿和建筑行业的设备和工具，服务和技术解决方案、先进的不锈钢和特殊合金以及工业加热产品等领域取得了世界领先的地位。

SANDVIK提供用于电子应用的经济型涂层钢带组合。SANDVIK涂层钢带（制作过程见图66），采用先进的环保真空镀膜工艺制得，主要特点有：经济实惠的涂层；钢带和涂层之间具有优异的附着力；导电性极佳；高耐腐蚀性；带材厚度0.05-0.8毫米。具体应用有用于固体氧化物燃料电池（SOFC）的相互连接和用于聚合物电解质燃料电池（PEFC）的双极板。

图66 SANDVIK涂层钢带制作过程（①为清洁/检查；②为上涂层（采用连续蒸发工艺）；③为检查（采用X射线检测设备用于测量涂层的厚度和质量）；④为测试、分切和包装） via SANDVIK Anna Jansson

SANDVIK SANERGY®LT预涂钢带可用做PEMFC双极板（如图67所示），并能进行大规模生产且生产成本低。其主要特点有：具有良好的界面接触电阻，与金或石墨相当（根据DoE（美国能源部）要求（<10mΩcm -2））；PEMFC环境中的腐蚀<1μA/ cm 2；采用气密材料；电气降解率低（低于0.5％/ 1000小时）；良好成型性/涂层附着力。

图67 SANDVIK SANERGY®LT预涂钢带用于PEMFC的双极板viaSANDVIK AnnaJansson

（八）Borit——双极板及其生产工艺

Borit成立于2010年，总部位于比利时，是OCAS公司衍生出的一家新公司。Borit致力于通过为燃料电池和电解槽开发领先且高效的薄金属双极板组件生产基础设施，为金属成型、切割、焊接、涂层和密封提供卓越的服务，为清洁能源经济做出贡献。

Borit提供的双极板（见图68）可用于多种类型的燃料电池（包括LT-PEM / HT-PEM / DMFC）

图68 Borit双极板 viaBorit官网

同时，Borit可提供双极板生产的一站式服务，包括工程、材料、成型、切割、激光焊接、涂层。其中，成型采用的是Hydrogate™技术（见图69）新的印刷机概念将经典的液压成型技术推向连续工艺。利用静水压力，Hydrogate™提供了传统成型工艺（如深拉伸）的强大替代方案，通过生成具有低残余应力的极具挑战性的几何形状，从而形成非常平坦的板材。

图69 BoritHydrogate™技术viaBorit官网

在切割和焊接工艺上，Borit可提供激光切割、机械切割和激光焊接技术。Borit的激光切割技术（见图70）十分灵活，适用于中小型系列双极板切割，并集成视觉系统，适用于严格的尺寸公差以及控制薄材料的切割质量。Borit的机械切割技术适用更高系列的产品，其先进的模具可严格控制公差，并适用于薄材料的高质量切割。Borit的激光焊接技术具有优异的焊接质量，板材平整度高，同时可进行远程焊接，并适用于大量焊接，还可提供密封试验。

图70 Borit激光切割 viaBorit官网

Graebener——双极板工艺

Graebener是一家具有近百年金属加工经验的德国家族企业，其业务涉及液压成型，汽车行业，大型管道制造，船舶制造，风塔生产和造船等。同时，Graebener可为客户提供包括液压，控制和反馈控制技术以及针对工业4.0领域挑战的开创性解决方案。

基于成型、切割和焊接的核心竞争力，借助PowerBoxx ®和PowerTower ®（见图71），Graebener已成为金属微结构板的生产线的主要开发商和制造商之一。在燃料电池领域，Graebener是生产隔板的先锋企业之一，其已经生产了用于LT-PEM、HT-PEM、DMFC和SOFC的高精度和强力隔板（见图72），并提供整个隔板产业链的解决方案。

图71 Graebener PowerTower via Graebener官网