燃料電池不銹鋼極板鍍上一層特殊涂層后,將其置于80℃及1.6伏的高強度酸性腐蝕溶液之中,5個小時候后,表面涂層仍安然無恙。

這項神奇的技術叫做“烏金涂層”,是由驥翀氫能全資子公司常州翊邁開發的第四代燃料電池金屬板涂層技術,能夠將燃料電池金屬雙極板腐蝕電流降低到5μA/cm²,目前行業中相同測試環境下的雙極板腐蝕電流水平為50～300μA/cm²,這意味著“烏金涂層”至少能夠將雙極板壽命提高到30,000小時以上,處于業界領先水平。

在江蘇驥翀的量產基地里,常州翊邁總工程師韓治昀正在調試設備,他正是“烏金涂層”的技術帶頭人,也是我國離子鍍膜領域專家,獲得的燃料電池金屬雙極板涂層第一發明專利數量全國領先。“我們研發的烏金涂層,使得驥翀氫能MH170金屬板電堆的涂層加工成本降低了60%,而涂層在雙極板中成本占比在70-80%。”韓治昀表示。

今年37歲的韓治昀,自認在氫燃料行業中不算年輕,“能在這個‘冷門’行業堅持10年以上的是極少數。”他笑著說道。近兩年,隨著政策的引導,氫燃料產業終于迎來爆發,不僅讓韓治昀感嘆自己的堅守是值得的,更是讓他多年來積累、開發的金屬板涂層技術的巨大價值得以顯現。

在幾微米涂層上構建精密“系統工程”,難度大、壁壘高

電堆是氫燃料電池汽車的動力系統,通過氫氧兩極的電化學反應轉換成電能,在很大程度上決定了整車的性能、壽命和成本。如果說電堆是氫燃料電池汽車開發中最難、技術壁壘最高的環節,那么金屬雙極板涂層可以稱為“難點中的難點”。

金屬板因其體積小、重量輕、阻氣性好、量產成本低等優勢,有助于提升電堆的功率密度和商業競爭力,被認為是理想的燃料電池雙極板技術路線。但雙極板在電堆產生化學反應的過程中,起到分隔氫氧兩極和傳導電流、熱量的作用,其表面也不可避免受到電化學反應的腐蝕,如果不加以阻止,不僅導致電堆的電輸出性能降低,還會縮短金屬雙極板的壽命,進而影響電堆使用壽命,嚴重時甚至發生金屬板穿孔,危險極大。涂層技術就是為了減緩、阻止電化學反應對金屬雙極板的腐蝕影響到金屬雙極板的耐久性和導電性兩大重要指標,成為金屬雙極板生產制造過程中的核心技術。

常規的防腐材料幾乎不導電,而導電材料在燃料電池酸性電化學環境下又不防腐,自然界只有金、鉑等貴金屬兼具防腐和導電功能,但由于價格高昂并不適合商業化應用。制備氫燃料電池運行條件下兼具耐蝕、導電、低成本特性的涂層材料,成為制約金屬板在燃料電池領域應用的世界性難題,進而制約了燃料電池的產業化進程。

韓治昀表示:“涂層技術涉及到材料、結構、工藝、設備等多個環節,看似只有幾微米的涂層,卻是一個龐大且復雜的系統工程。”

從工藝到環境,極致精細化管理積累成為“技術突破”

韓治昀及其所在的常州翊邁團隊,背靠大連理工大學三束國家重點實驗室和國家氫能“863”項目,是我國最早進行燃料電池金屬板涂層技術與裝備研發的團隊。團隊從2002年項目立項到第一臺連續型金屬雙極板涂層產業化裝備與技術落地,歷時20年,期間已先后開發4代涂層裝備與涂層體系。

研究生畢業后,韓治昀擔任常州市清潔鍍膜實驗室主任,從研發轉為工程開發。2014年,常州翊邁正式成立,韓治昀擔任總工程師,負責將金屬雙極板涂層技術推向產業化。

“實驗室更關注底層科學邏輯,而產業化則更注重精細化管理。”韓治昀總結道:“誰能實現每一個環節的精細化管理,把細節做到極致,實現更優質的質量控制,同時把成本做到最低,誰就能獲得市場的認可。”

在翊邁與某燃料電池電堆龍頭企業的合作中,充分體現了“精細化管理”的決定性作用。當時,涂層的結合力出現了問題,客戶甚至提出更換供應商。時間緊、任務重,韓治昀帶領團隊通宵實驗,分析了所有工藝因素,卻仍舊一籌莫展。“我們沒有放棄,而是進一步擴大分析范圍至環境因素,最終發現是大氣中某元素含量超標,然后通過技術管控增強了涂層結合力。這樣一來,不僅滿足了客戶的需求,還由此獲得啟發,開發出了我們的第三代‘黑金剛’涂層技術。”

“黑金剛”涂層技術算得上國內金屬雙極板涂層產業的引領者,該技術推出一年之后,市場上才逐漸出現類似的技術應用。在韓治昀的“精細化”把控之下,常州翊邁不斷突破,成功研發第四代“烏金”涂層技術,解決金屬板防腐、導電、低成本等行業瓶頸,又在此基礎上于2021年通過工藝與裝備升級,將腐蝕電流降低到5μA/cm²,使得金屬雙極板的高電位耐蝕性提升10倍。

“行業中相同技術路線下腐蝕電流水平是50～300μA/cm²,我們能夠將其降低到5μA/cm²,算是一個不小的成果,我個人也覺得做了一件很有價值的事情。”韓治昀說道。

加緊新一代技術開發,迎接行業爆發

能夠進入到涂層領域并且堅守10多年,韓治昀認為這是自己與涂層技術“解不開”的奇妙緣分。

韓治昀本科學的是無機非金屬材料專業,雖然都與“材料”有關,卻和涂層材料領域相差甚遠。無機非金屬材料屬于傳統行業,畢業后韓治昀和許多同學一樣,進入了專業對口的傳統行業工作。但是,在韓治昀內心一直不甘于按部就班的生活,他希望創造更大的價值。

偶然的機會下,韓治昀從公司離職,全心備考跨專業的大連理工大學金屬材料專業研究生。初試順利通過后,卻因為專業不對口的原因沒有通過復試。韓治昀并沒有氣餒,他決定再試一次。第二次進入復試環節,大連理工大學林國強教授聽說韓治昀考了兩次,被這份耐心和執著所打動,破格接收了韓治昀。

畢業后,從實驗室的研究工作到公司的產業化工作,韓治昀一直從事金屬雙極板涂層技術的開發。然而,如今急速發展的氫燃料電池行業,卻遭遇過很長一段時間的“冷遇”,作為燃料電池金屬雙極板核心技術的涂層產業因金屬板電堆研發壁壘高、從業企業少,更是少有人問津。

韓治昀回憶,2018年下半年到2019年,整個行情很差,常州翊邁也受到了影響,幾乎沒有訂單,公司生存受到了來自四面八方的壓力。然而,在導師林國強教授和驥翀氫能董事長付宇博士的陪伴與鼓勵之下,韓治昀頂住了質疑,繼續在行業中堅守,最終迎來了行業的爆發。

如今,氫燃料電池技術不斷取得突破,燃料電池產業鏈基本建立了起來。根據最新發布的《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》,到2025年我國氫燃料電池汽車保有量目標達到約5萬輛。在整個行業的蓄勢待發中,韓治昀也感到“要做的事情還很多,時間不夠用”。

韓治昀希望能夠在涂層裝備方面取得更大的突破,還想拓展涂層技術的應用范圍。但是當下對于韓治昀來說,最緊迫的事情就是第五代金屬雙極板涂層技術的開發,他給自己確立了目標:“第五代技術必須要在2023年一季度攻克,總公司驥翀氫能在研發方面給了我們很大支持,所以我也很有信心把第五代技術做到國際領先!”

關鍵詞： 燃料電池金屬板涂層技術 氫能產業 非金屬材料 金屬板防腐