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國慶長假期間，中國高端精密制造行業(yè)又有硬核技術(shù)突破消息傳來。上海治臻新能源裝備有限公司（以下簡稱“上海治臻”）宣布推出新型碳涂層金屬極板產(chǎn)品，在極板成本降低40%-50%的同時，還將金屬板燃料電池發(fā)動機預期壽命延長至2萬小時以上。很快，新技術(shù)會以具備年產(chǎn)百萬片大規(guī)模量產(chǎn)能力的姿態(tài)，去觸動整個氫燃料電池行業(yè)降本。

金屬極板價格約占當前主流大功率燃料電池發(fā)動機成本的10%-15%。一塊金屬極板的生產(chǎn)過程包含開模、沖壓、涂層、封裝等環(huán)節(jié)。在這其中，涂層成本占到整個金屬極板成本的50%左右，涂層好壞是影響金屬極板壽命的關(guān)鍵，也是燃料電池汽車發(fā)動機壽命的最重要掣肘之一。


與行業(yè)當前普遍采用的貴金屬涂層不同，碳涂層路線屬于非貴金屬涂層。上海治臻歷時5年研發(fā)和實踐后才穩(wěn)定掌握這項新技術(shù)。要做到這些，從材料制備，到壽命突破，再到裝備制造能力，每一步都是制造業(yè)企業(yè)“真功夫”的體現(xiàn)。

01 非晶/納米晶復合，解決壽命難題

在自然界中，從石墨到鉆石都屬于碳結(jié)構(gòu)材料，材料中的雜化狀態(tài)不一樣，表現(xiàn)出的性能就會呈現(xiàn)出巨大差異，制備工藝方法也各種各樣。碳涂層金屬極板技術(shù)并非新鮮事物，日本豐田從數(shù)年前就開始將碳涂層實施在其Mirai燃料電池乘用車上。在上海治臻之前，全球僅豐田一家掌握可以量產(chǎn)的金屬極板碳涂層能力。

豐田的碳涂層基于鈦金屬板，鈦板上做碳涂層，無需考慮碳材料本身耐腐蝕的問題。但是，從材料成本來說，不銹鋼極板更適合大規(guī)模推廣燃料電池汽車所用。


上海治臻推出的碳涂層技術(shù)選定不銹鋼為基材，那么在不銹鋼基材上，碳涂層材料的耐蝕問題就是個巨大的挑戰(zhàn)，它需要從材料和工藝兩方面進行長時間的計算和實驗。

公司研發(fā)團隊對香橙會研究院介紹，通過大量的分子動力學模擬發(fā)現(xiàn)，在非晶碳涂層中引入特定晶面取向的納米晶結(jié)構(gòu)，可以增強涂層致密性，提高抗腐蝕介質(zhì)侵蝕能力，離線加速試驗對比表明所開發(fā)的碳涂層材料超過貴金屬性能。

金屬與碳物理性質(zhì)差異顯著，碳涂層很難直接在金屬材料上生長，為克服這一難題，通過不同元素的層間梯度匹配，實現(xiàn)涂層材料從金屬到非金屬的過渡。同時依靠開發(fā)的增強等離子體沉積技術(shù)，強化了過渡金屬與碳材料的化學成鍵，極大提高了碳涂層與金屬極板間的結(jié)合力。

自2019年起，客戶企業(yè)將上海治臻提供的不銹鋼碳涂層極板裝配至燃料電池上進行耐久性測試，當前已進行了逾萬小時，根據(jù)實測結(jié)果來看，金屬極板碳涂層耐蝕問題已被成功解決，符合2萬小時以上設(shè)計壽命的表現(xiàn)。

02 百萬片級裝備制造能力

量產(chǎn)能力是考驗制造業(yè)企業(yè)將實驗室技術(shù)商業(yè)化應用的關(guān)鍵。

碳涂層沉積速率慢一直以來都是業(yè)界面臨的重大技術(shù)瓶頸，傳統(tǒng)的涂層沉積方式多采用單體旋轉(zhuǎn)式沉積設(shè)備，裝爐量有限，沉積時間長，可靠性低，導致金屬板成本居高不下。

上海治臻基于真空鍍膜技術(shù)的積累，成功開發(fā)了一套增強型等離子體沉積方案，將碳材料沉積速率提高了10倍，為連續(xù)鍍膜產(chǎn)線的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。同時在連續(xù)裝備中引入等離子體閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了批量制備中的過程穩(wěn)定性，保證了產(chǎn)品的一致性和可靠性。


“我們自主開發(fā)了連續(xù)的碳涂層的裝備。我們傳統(tǒng)的碳涂層都是單體設(shè)備，就是圓形的爐腔在這個里面轉(zhuǎn)，但是這種制造的效率太低了，整個制造的成本太高。所以我們基于我們開發(fā)的就是高速沉積的一個工藝方法，開發(fā)了連續(xù)的沉積的裝備，能夠?qū)崿F(xiàn)千萬級的沉積的效率。”公司技術(shù)人員說。

03 彎道超車

在我國新能源汽車“三縱三橫”發(fā)展路線中，燃料電池汽車是最晚發(fā)展的“一縱”，也是被賦予最多期待的“一縱”，燃料電池汽車肩負我國汽車產(chǎn)業(yè)彎道超車的重任。在這條賽道上，中國技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化應用都可以說和國際上保持在同步節(jié)奏，2017年底上海首批500臺燃料電池物流車上路，到現(xiàn)在仍是全球最大一批燃料電池汽車部署。

2020年9月，五部委發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應用的通知》，明確指引行業(yè)向大功率重載發(fā)展。金屬極板電堆因其單位體積和重量內(nèi)功率密度更高的特性，符合終端應用場景需求的方向，市場接受度得到迅速提升，可是壽命問題一直困擾金屬極板廠商。

將數(shù)千小時產(chǎn)品壽命延長至2萬小時以上，新型高端碳涂層技術(shù)一舉邁過了金屬極板電堆競爭力的最高門檻，同時還順帶把極板成本降低了一半，為實現(xiàn)彎道超車助了一把大力。

隨著示范城市群“揭榜掛帥”推進，牽頭系統(tǒng)廠商上交給地方主管部門的車輛實施方案中最被看重的便是可復制性，意味著終端客戶的降本需求會愈發(fā)饑渴，此時誕生的量產(chǎn)高端碳涂層技術(shù)預計將快速在市場打開局面。

根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》規(guī)劃，到2025年我國氫燃料電池汽車保有量將達到10萬輛左右。

面對數(shù)十億片規(guī)模的市場容量，上海治臻透露，公司作為課題單位參與的科技部十三五重點研發(fā)計劃《質(zhì)子交換膜燃料電池專用極板基材開發(fā)》項目，是面向更未來的下一代金屬板研發(fā)，這代產(chǎn)品會從基材改性入手，徹底拋棄涂層環(huán)節(jié)，未來的金屬極板將不再需要涂層，專用基材的開發(fā)將真正助力實現(xiàn)燃料電池雙極板面向未來的制造需求。

來源： 香橙會研究院 作者：張摩卡

“十四五”初年，在“雙碳目標”背景下，為助力能源轉(zhuǎn)型，促進企業(yè)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)變革與社會可持續(xù)發(fā)展，國際能源網(wǎng)憑借16年蓄積之力，繼續(xù)構(gòu)筑產(chǎn)業(yè)重磅年度盛會。

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原標題：預期壽命超2萬小時！中國金屬板氫燃料電池發(fā)動機實現(xiàn)重大突破！