惠州市海龙模具塑料制品有限公司：氢燃料电池高导电超薄复合双极板制造技术
赵金华
复合材料事业部总监
惠州市海龙模具塑料制品有限公司
氢燃料电池高导电超薄复合双极板制造技术
Manufacturing technology of hydrogen fuel cell
highly conductivity ultra-thin composite bipolar plate
大家下午好！今天我这个报告的题目是氢燃料电池高导电超薄复合双极板制造技术。其实我们公司在这块的开发时间大概只有两年时间，目前也取得了一些进展，所以给大家做一个介绍。
报告主要分四个部分：
第一个是复合双极板的介绍。
双极板在我们氢燃料电池电堆里面起的作用主要是引流、支撑导电的作用，所以它本身双极板有一定的性能要求，一方面要求电导率高，因为它承载着需要有一定的机械强度，另外在导流电以外，还要气密性比较好，还有一个是在我们使用过程中，因为双极板环境下需要有一个良好的耐腐蚀性能。还有一个在我们在用的过程中还需要满足我们基本上跟车辆同等的使用寿命。另外在对于我们汽车这一块应用的话，还有一个比较敏感的就是成本，所以需要极板制造效率高，需要降低它的制造成本。
目前双极板其实主要可以分为两大类，一种是金属极板，一种是石墨极板。石墨现在用得比较多的就是模压的双极板。在这一块目前不同参数的双极板有各自的优势，但相应来说也会存在一些缺点，所以这两种的话可以说是一个相互竞争，也是一个相互补充。金属双极板主要优势是它的机械强度好，气密性好，极板可以做得很薄，在功率密度这一块是很大的优势，但存在的问题是腐蚀性的问题，导致使用寿命目前是存在一些问题的。而石墨板的话在导电、导热，包括耐腐蚀性这一块、使用寿命这一块是比较强的，但是目前石墨板的话其实无论是哪一种，目前因为机械强度方面的原因，导致整个双极板的厚度这一块是偏厚的，所以我们这个电堆做起来的体积是偏大的。
而我们复合双极板其实从严格意义来说也算是一种石墨级的双基板，对于我们这个双极板来说它的主要成分包括树脂、导电材料，采用模压工艺进行成型。石墨双极板相对来说其实在金属双极板和咱们传统的石墨双极板之间可以说是做一个性能的评估，具有比较高的机械强度和比较高的韧性，所以在材料的配套设计，可以带来这个产品的轻薄，另外气密性比较好。
在选材方面无论是树脂还是石墨材料，包括选择其他的材料都具有良好的耐腐蚀性能，所以使用寿命跟石墨双极板基本上是一致的。另外在工艺路线设计的时候，我们采用的是模压成型，所以模压周期是在2分钟，所以效率是比较高的，所以带来的制造成本是比较可控的，在POR成型这一块成本是一个比较明显的优势。
我们用复合双极板跟传统的金属和石墨机加的双基板做了性能的对比，因为石墨机加的双极板比较接近于金属双极板，但在使用寿命和成本这一块相比于金属的还有石墨机压这一块的双极板是有明显的优势的，所以这一块特别是在后续批量化这一块综合优势还是比较明显的。
第二是介绍一下复合双极板制造的工艺路线，包括相应的技术情况。
这是我们复合双极板的制作流程，简单来说材料配方设计是导电材料，导电材料也是以石墨材料为主，再一个是搀杂在里面的树脂配方的设计，另外还根据功能工艺方面的要求，包括性能方面的要求我们可以加一些功能增强材料。这几种不同的材料首先是通过混料，混料之后直接把材料直接投入模具里面进行模压固化成型，再自动脱模，脱模之后形成了双极板的应用级单板再进行粘接，再下来是做相关的气密性检测，再进行简单的清洗，这就是我们本身双极板的一个成品。
在复合双极板制造过程，我们是根据工艺路线的设计从技术这一块分成三大块：一是材料配方的设计。二是模压成型需要复合双极板的模具的设计和制造。三是模压成型的工艺。在材料配方那一块是决定了复合双极板基本的性能，包括导电率、机械强度和耐腐蚀性，还有极板表面活性的要求。
在模具设计这一块就要考虑从结构上设计，从而保证复合双极板各个部分的成型的需求。另外加工精度的话，因为复合双极板尺寸精度要求比较高，所以要求模具也要有一个比较高的加工精度。另外在功能设计这一块，我们需要满足双极板快速成型结板的要求。
在模压成型这一块首先要保证我们复合双极板成型结构上的完整性，因为双极板它可以分成不同的功能分区，包括进气分配，包括活性区，结构还是有比较大的差异的。所以也需要通过工艺的优化，要保证我们不同的功能区能够一次成型出来。还有一个是复合双极板尺寸精度的控制，这其实一方面跟我们模具的加工精度有关系，另外一方面也跟工艺密切相关，这块在实际成型的过程中，在这种高压成型过程中其实极板它会存在一些塑性变形，尺寸控制不好的话会导致成型出来的尺寸跟我们设计尺寸存在比较大的差异。同时双极板的气密性这块也是跟工艺密切相关，如果在成型过程中有变形的情况，会导致双极板控制不好出现一些开裂的情况，对产品的气密性产生比较明显的影响。
具体到材料配方这块，我们这块包括三大部分：一是树脂配方，树脂起到的主要作用是提供极板需要的强度。另外对于树脂选择这一块对于双极板包括气密性、耐腐蚀性等，还有使用的温度这一块是有一个比较明显的影响。另外在树脂的选择这一块也要考虑本身几种不同材料的混合工艺的需要，还要考虑成型工艺的要求。二是石墨导电材料，这是提供双极板的导电性能。三是功能增强才俩，是要提高双极板的强度和韧性这一块。这三个组分设计好了之后，我们需要把这三个组分进行混合，需要保证不同材料混合之后达到均一性和材料的一致性。
这是我们双极板成型的这个模压模具设计结构构造，我们公司传统业务是做模具这一块的，以前主要是提供注塑模具，后来进入到复合材料成型模具，这跟我们双极板成型的工艺的要求也有一定的相似性，所以在这一块我们也有一定的基础。
对于双极板来说，对于模压成型的要求主要是包括四个方面：一是结构上的设计。二是功能设计，满足高效成型的要求。三是加工精度，目前对于一般普通模具的话，对于传统行业的结构模具加工精度一般在正负0.5毫米已经是完全可以满足要求了，但对于双极板来说一般压达到的精度要求是正负0.1毫米。四是模具设计的寿命、模具的硬度程度上有批量化的要求。现在我们初步的评估目前模具的使用寿命估计在20万次以上。
另外复合双极板的成型工艺，双极板的工艺路线来说的话，其实它这块的工艺我们也可以分为三个部分：一个是材料混合的，刚才介绍到本身这个材料是多组份的，要保证材料的一致性，才能保证产品各个性能的一致性。二是模压成型的工艺。三是固化的工艺。这需要补充一下，目前我们选择的数据体系是一个日固型的，它需要经过加热、固化、成型。 成型工艺对于双极板各方面的性能影响也是比较大的，刚才也做了一个介绍。
所以目前在复合双极板的制造过程中，从材料封装设计、模具设计和制造、成型工艺这一块，我们公司在这三大方面经过这两年的开发，都积累了相关的经验。
三、简单介绍一下复合双极板的性能检测，还有目前双极板拿到的技术指标的情况。
这是我们用到的双极板检测设备，还有电化学工作站、气密性检测、电导率、尺寸精度、电阻测试等相关的设备。这是复合双极板目前达到的性能指标，包括导电性，导电性这一块我们包括电导率和金属电阻，电导率目前的值是达到220s/cm，这个是明显优于目前DOE相关的要求，弯曲强度大概是45兆帕，气密性是可以满足电堆使用的要求，本身长期使用温度是大于120度，腐蚀电流密度是小于0.5，接触角在目前测试只是在0-90度，也就是说我们这个极板表面是疏水的。另外，在单板的厚度这一块我们是在0.6-0.95，这个0.6-0.95，我们双极板作为轻板和阳板，阳板是一面是流场的，一面是光面的，目前可以做到0.6。而轻板的话一面是有清流的，一面是有水流场，双面流场目前可以做到的是0.95，流道的深度各是0.3，中间材料的厚度是0.35毫米，平面厚度在0.05毫米，这是目前样板测试能够达到的一个技术情况。
因为我们复合双极板跟机压板还涉及到模具开发的问题，所以我们也提供不同的合作开发模式来供行业内相关客户进行选择。目前我们主要提供的是有三种模式：一是我们符合双极板的标准样件，一是我们自主设计的复合双极板相关的结构，目前样件的话我们是可以直接提供给客户进行相关的性能检测。二是复合板的光板，一方面可以利用光板做相关的性能的测试，另外就是说对于一些有特殊要求的也可以利用这个光板进行间接的积加，积加成自己需要的流场的结构。三是考虑到本身双极板的开模的情况，我们也在模具的开发这一块，为了降低本身客户开发的成本，我们自己会承担一定的模具的开发费用，可以按照客户的产品的结构进行复合双极板模压成型的开发。
我们对于复合双极板的产能规划，目前单条线的产能是在20万片，后续根据市场的需求，我们可以为我们的产能进行扩大。
四是简单的介绍一下海龙公司。
海龙传统的业务是模具设计和制造，包括注塑产品的加工，另外一块是先进复合材料以及氢燃料电池关键核心部件的开发与制造。在氢燃料电池这一块我们从2019年年初开始开发，目前我们的方向一是复合双极板，另外一个是耐高压的储氢气瓶，气瓶目前是和科研院所合作开发，目前还处于前期的合作开发阶段。
海龙也是国家的高新技术企业，另外我们也是广东省的工程技术开发中心，在体系这一块我们也是比较完备的，也通过了ITF10949的认证。另外在复合材料和氢燃料电池这一块也进行了相关知识产权的布局。
以上就是我的报告主要内容，谢谢大家！
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