杨智——金属双极板的规模化生产技术

杨智

燃料电池工程师

美最时工业技术（上海）有限公司

各位领导，各位专家，各位有志于双碳目标和氢能发展的朋友们，大家好！很荣幸今天能给大家做这个报告，和各位讨论一下德国格拉本纳机械技术公司在燃料电池金属双极板规模化生产技术上的一些工作、经验和收获。

这位是格拉本纳机械技术公司的董事总经理Fabian Kapp。格拉本纳是一家已经经营了4代的家族企业，以能为客户提供解决方案为荣。他们尤其聚焦在未来技术上，比如燃料电池组件的生产系统。

格拉本纳成立于1921年。起初，这个家族企业的业务是将钢铁加工为容器和大直径管道；后来根据经济形式的发展，他们成长为服务于广阔市场的专用设备生产商。到今年他们成立已经有一百周年了。

对于汽车和其他工业等的核心业务领域，他们提供液压成型和热冲压成型的专用系统。

对于管道埋弧焊的核心业务领域，他们提供弯板机，坡口机等专用设备。这些设备适用于各种直径范围，客户涵盖风塔制造商和容器制造商。

对于造船的核心业务领域，他们提供将单块钢板焊接成整块甲板的设备。这种设备先给单块钢板自动铣出坡口，接着将一块块钢板排列好，然后用激光焊接设备进行焊接。激光设备最大功率为16kW。

在金属双极板业务板块，他们开展相关工作已近20年。经过这些年的研发和生产，他们汇集了所有关于高效和经济的生产系统的知识和经验，形成名为“格拉本纳双极板技术”的一整套解决方案。

我们都知道我们必须为了未来采取更可持续的生活方式，其中之一就是更积极地达到气候目标。对于此，我们认为燃料电池技术是一种能够促进能源可持续利用的技术。

为保持我们的创新特性，我们通过持续不断的研发和投入来产生各种新的创意。作为家族企业，我们的特征是自身独特的技术和产品，并且只给客户做出我们能做得到的承诺。这是我们对中小型企业的理解。

因为我们与金属打交道已经100年了，我们了解其中的关键因素，并且把我们对氢能未来的信仰和我们的专业直接结合起来，产生了我们的设备产品和建厂工程服务。这是我们提供高的质量以满足客户和未来的需求的根基。

氢气可以在很多领域中使用。除了通过燃料电池发电，它还能用在炼钢等领域。也就是说，我们考虑的不仅仅是燃料电池，还包括其他应用如电解槽，热交换设备等。

我们也明白，将燃料电池应用到乘用车上时机还不成熟，需要做更多的开发工作以实现大规模应用条件下的经济型。相比之下，经典的内燃机发动机已经发展了100多年，所有的生产技术都是非常成熟的。而在比较燃料电池和内燃机的成本的时候，这点往往是被忽略的。因此，未来燃料电池的开发不仅将对乘用车的应用有深远影响，对中型或重型运输的应用更具重大意义。同时，技术的开发与时俱进，使用金属双极板的燃料电池数量将不断增长，满足重载运输的需求。

从这儿我们可以看到氢气作为能量载体的益处，以及利用氢能的相关技术，不仅是氢气的广阔用途，还有运输和储存的可行性。

为什么我们专注于金属双极板呢？很简单，首先我们拥有100年的与金属打交道的经验，专业生产液压成型设备。我们可以将我们所有经验应用到处理这类问题中来。而金属材料在燃料电池中的应用也能给我们带来各种好处，比如重量轻，导电导热性好，表面质量高，易成型等。这些特性都是与石墨板比较的。

所有这些激起了我们的兴趣，并引导我们开发和持续优化了金属双极板的生产技术。这个过程中我们同时也考察了大量的生产技术，并利用产生的经验来提升我们的生产系统的性能。

近20年来，我们持续开发双极板的生产技术。在此过程中，我们也积累了各领域的相关知识

从最初开始，我们就把液压成型技术应用到金属双极板的生产中来。格拉本纳作为液压成型技术的先锋，在行业中享誉盛名，我们开发的第一条液压成型产线始于二十世纪八十年代。我们为全世界很多工厂建造了液压成型产线。缘于金属双极板的生产对精度和误差的要求很高，我们预测液压成型技术能在其中有用武之地。

根据液压成型工艺的技术特点，成型特定的几何结构只需要半边模具。因此与冲压成型技术比起来，其模具成本是相当低的。与模具相对的另外半边则施以压力最高达4000巴的水-油乳液作用于材料，使材料贴合到那半边模具而实现成型过程。

液压成型是可控的过程，意味着压力的升高和成型速度可完全由操作员控制。

近些年，我们一直在稳定地扩展我们的产品范围，而不仅仅只局限于液压成型设备。我们开发出了金属双极板生产全工艺所需的相关的设备，同时也形成了对应的工艺经验。这些设备和经验包括

· 双极板的裁切

· 双极板的焊接

· 相应的设备技术

除此之外，我们还将自己视为客户的工程化的合作伙伴，帮助客户解决双极板生产流程中遇到的问题。而且，我们持续不断地进行研发，优化技术，以适应市场的需求。

过去的十几年，我们在我们的小试线上生产过80多种来自不同客户的版型设计的超过十万片双极板。我们持续拓展我们的知识领域，参与了总共10个公众资助的项目。这帮助我们更好地了解对双极板成型的需求，开发更好的生产系统。

我们也研究了各种燃料电池系统和其他应用，比如热交换器用板材或者电解装置。

这里是我们参与的一些项目的列表。

在LowCostBip这个项目中，我们用胶粘剂来连接两片极板。这个项目暴露了胶粘技术的一些问题，所以目前对双极板的连接，焊接是最好的选择。

这些年来，通过参与这些项目我们获得了很多生产金属双极板的经验和知识。我们也总是寻找方法来改善我们的工艺，拓展更广阔的应用场景。

接下来，我将详细介绍一下我们所提供的服务和设备。

与客户合作的第一步，我们往往是处理工程化的问题。这包括用来生产的双极板的所有技术细节，以及双极板生产线的规划。

下一步，通过我们的应用实验室，我们可对客户的设计进行各种初步的测试和分析，包括进行小批量的生产，以确定双极板和生产设备的优化参数。

第三步，也是我们的实际目标，是为客户将生产的双极板提供设备。

工程化包括：我们从可生产性的角度分析并优化客户的设计。意思是我们会找出客户设计中指标比较严格，从而可能会导致生产失败的地方，给出修改意见。

如果客户不能提供全功能的极板3D模型，我们也能为客户准备CAD模型。这个模型可以用来做进一步的仿真，比如流体分析。

当然，除了客户的双极板，我们主要还是提供可扩展和可持续的生产线方案，包括提供生产线布局建议。

在客户决定采购设备之前，我们可以在我们的应用实验室为客户提供测试服务，以帮助客户确定所规划的双极板的是否可顺利进行生产。我们可在这个实验室中代客户制造少量的极板，比如说，每年几千至数万片。

在客户开发双极板的过程中，我们也提供极板几何结构可制造性的验证。这是指我们会选择极板上最难成型的区域，用我们的液压成型设备做成一小块测试板，比如50mm*50mm大小。通过实际的成型操作，测试材料性能，评估设计是否能制造出来等。

我们的设备能加工的最大极板面积为2500平方厘米，最薄能加工50微米的金属材料。

我们的售前服务包括：为客户提供最小量的试制，比如1片双极板的试制，小规模的代加工，比如数千上万片每年的供货量。在我们实验室试制或者小批量生产过程中所形成的工艺数据，可以直接下载到客户购买的设备上。通过这种操作可以减少设备安装调试时间。

这一页是对液压成型技术加工能力的概述。

与其他制造工艺相比，液压成型技术的优势比较明显。比如可成型50微米厚的材料，极板几何结构可做得很细密。生产的可重现性很高，极板的误差都一致。预涂层材料的表面不会被破坏，生产参数可随时调整，产品可逐步成型等。

很多人拿冲压成型的速度跟液压成型的速度比，说液压成型速度慢效率低。要知道燃料电池的生产过程不是单一的成型步骤。从全流程来看，液压成型相对慢的速度不是瓶颈。比如在电堆的堆叠工序，甚至不允许速度超过一定的值。另外，如果采用一模多出的方案，还可以明显地提升液压成型的生产速度。

液压成型也对后段工序的顺利进行提供便利，尤其是对高质量的双极板焊接工序。稳定可靠的焊接操作需要的不仅仅是正确的工艺参数，误差在微米级的完美成型的单极板更是让焊接工序顺利进行的强有力保证。

这是我们加工过的一些版型的例子。

大家可以看Project MetaBPP，是德国柯德堡和我们合作的，他们要测试他们自己的密封材料、密封技术。Project PreCoat，就是一个预涂层材料在燃料电池中应用的可行性。然后Project RobiPo是高温燃料电池金属双极板项目。ProjectLowCostlip，这个挺有意思，最后极板出来是用胶黏剂来粘贴的，但是做完这个项目就发现用胶黏剂来连接金属双极板会有一些问题，所以最后这个技术的选择，至少在欧洲技术的选择倾向于焊接的方式来连接金属双极板，还有电解槽的项目。

这是我们全程参与的这么一个开发项目，就是把菲亚特500的小车改成燃料电池驱动的，它原来是内燃机驱动的。燃料电池是一个30千瓦的系统，作为增程器使用，驱动的是锂电池，燃料电池给锂电池驱电，然后锂电池驱动电机。通过这个项目证明了我们专利生产技术在燃料电池上的应用是可行的。

裁切这块我们选择不需要冲裁的激光熔切方法，以避免冲裁对成品的影响，降低模具费用，获得更好的，没有毛刺的成品。尤其是对于3D结构和小直径的孔洞的裁切，比如1mm直径的开口。这种需求用传统的冲切很难低成本地实现。激光熔切的工艺速度可达2米/秒。

理论上讲，激光熔切可以进行得更快，比如20米/秒，但是相对于速度，无毛刺，高精度是更重要的指标。我们不仅要考虑工艺的速度，也要考虑燃料电池的使用。综合考虑下，我们确定了我们的激光裁切工序的速度。

焊接，我们选择了激光扫描焊接技术。这是唯一的可达到合理工艺速度的方案。片中展示的是焊接两片50微米的材料的例子。为得到良好的焊接效果，成型是关键。液压成型带来的高重复精度，可使两片板子对应的流道接触区域最大程度上重合。平整的成型表面保证了接触面最大化，使焊接能顺利进行。而且平整的成型表面也提供了与膜的良好接触。

上述焊接技术的优势可通过这张放大了200倍的图片看出来。除了成型对无缺陷的焊接很关键外，工艺参数，固定工装的设计也很重要。

作为设备制造商，工程化和原型开发只是我们为客户提供的服务，以帮助客户确认我们产品的质量。我们更关心的是成型、裁切、焊接设备的销售。除了能提供上诉的独立设备之外，我们也可以提供可扩展的整线解决方案。

如果需要进行数量巨大的金属双极板生产，我们可提供全自动的生产线，从放卷到焊接完成，并做测试。

根据不同客户所设计的双极板，我们会做好设备排列和单步工艺的布局的设计。这里展示的只是其中一种可能的布局，设计产能500万片双极板每年，当然根据客户的生产管理，比如几班倒，每年工作天数等有关。生产的扩展性我们也考虑到了，从最开始的少量直到产能的完全放开，我们都可以提供经济的方案。

也就是说，刚开始可能客户只需要采购一些单独的设备，不带自动化。当产量提升的时候，产线可逐步扩展。

通过这些生产双极板的方法和手段，我们可以根据客户需求提供定制的生产线。

这是我今天要讲的内容，谢谢大家！