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PEM电解槽钛极板制造工艺探讨

日期:2023-03-20    来源:高工氢电  作者:游保平

国际新能源网

2023
03/20
15:48
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关键词: 电解水制氢 钛极板制造 氢燃料电池

PEM记者的蓬勃发展带动了相关零部件的兴起,钛金属成型极板开始受到各大企业的关注。面对蚀刻和冲压不同的制造工艺,哪种更合适?

“电解槽用极板一般对耐腐蚀性和导电性要求较高,由于极板成本占电解槽成本接近一半,企业对成本极为敏感。”国内一家PEM电解槽企业高层告诉高工氢电,技术没有好坏之分,选择何种工艺制造钛极板取决于不同公司产品的成熟度和市场规模。

从技术路线来看,业内对于钛极板的制造主要围绕蚀刻和机床冲压这两种技术路线展开,机加雕刻工艺因材料和效率的限制一般不在考虑的范围。业内的主流看法是,PEM制氢设备在研发走向中试阶段,蚀刻发挥的作用更加明显,一旦迈入规模化量产,机床冲压的介入时机就到来了。

蚀刻工艺是规模化量产前期的合适选择

PEM极板是“一板两场”构造,区别于氢燃料电池的“两板三场”,去掉了中间冷却水的场。因此,一般采用比较厚的钛板,对高电位下耐腐蚀能力有较高要求,同时兆帕级工作压力对产品的气密性也提出了更高要求。

因此钛金属是作为PEM电解槽极板的理想材料。然而,钛金属材料不同于普通的不锈钢材料,其表面加工的难度成倍增加。并且PEM钛极板面积大,厚度高,冲压难度大,采用常规的机械加工工艺,难度大,效率也不够高。对于刚开始涉足PEM电解槽的企业来说,投入大量的精力和资金做钛板有些得不偿失。

既然自己不能做,那么外购是最合适的选择。现实情况是,对于PEM电解槽这样的新产品来说,很多关键部件就是想买还不一定能找到卖家,钛极板作为PEM电解槽的核心部件之一,涉及流道的设计等核心技术,这不是常规钛金属加工企业所能掌握的,但蚀刻工艺的导入可以有效解决以上难题。

蚀刻工艺的最大优点在于交付的及时性和小批量定制的性价比高。

一方面,金属蚀刻工艺制作PEM电解槽钛极板无需开模具,有利于降低生产成本;另一方面,金属蚀刻工艺制造金属极板可以节省开模时间,交期更快,更容易配合下游客户更改设计方案,实现定制化生产。

“采用蚀刻工艺的成本只有机械加工的三分之一,同时效率要高出一倍多。”金泉益总经理谢金发表示,与机加工艺的单面雕刻不同,蚀刻工艺可以对板材的两个面同时进行交叉蚀刻流道,在一块板材上同时进行蚀刻两种流道,提升效率的同时,也大大节省了成本。

随着绿氢概念的兴起,越来越多的PEM电解槽企业开始投入产品的研发和参与到国家相关示范项目中,市场对于钛板蚀刻的订单也在急剧增长,以金泉益、腾鑫精密、感恩蚀刻等为代表的蚀刻企业开始在氢能领域快速崛起。

以金泉益为例,该公司从2018年开始接触氢能行业,随着前期配合客户验证经验的持续积累,现阶段已经成为业内为数不多真正能实现批量交付的蚀刻企业。公司目前蚀刻钛极板技术处于国内领先位置。其在PEM钛极板蚀刻药水配置已经升级到第三代,使流道体边缘更光滑。随着技术的不断提升,金泉益已经具备对极板设计同面不同深度的蚀刻加工能力,目前能做到六台阶。

冲压工艺正在调试储备阶段

蚀刻工艺能够根据客户提供的产品流道设计快速交付产品,对于新进入PEM电解槽行业的企业来说,可以加快产品研发进程,节省开模成本,从而加速产品的定型,因而这些产品大多是定制化开发,且与提供蚀刻代工的企业签署保密协议。

而对于少数已经形成量产交付能力的企业来说,其对PEM电解槽相关零部件的把控能力更强,相关零部件大多已经拥有自主知识产权,并且已经开始初步形成标准化产品,因此更看重标准化的制造能力,这些企业开始把目光投向机床冲压工艺。

“PEM电解槽钛板不同于电堆的不锈钢极板,面积更大,板材更厚,冲压的难度也就更大些。”国内一家PEM电解槽技术负责人告诉高工氢电,冲压设备需要根据定型的产品来调试模具,直到模具完全适配,这个过程一般得半年以上。

虽然PEM电解槽产业离规模化量产还有一定距离,但对于少数已经形成小批量订单或接到国家示范性项目的企业来说,已经在给未来的量产阶段做准备了,他们开始联手国内的一些有志于拓展氢能市场的冲压设备企业一起进行技术公关。

在这些公司中,金属极板龙头治臻股份的表现尤为亮眼,公司已经引入大型的高精度伺服精密冲压设备进行产线调试。截至目前,治臻股份已经开发出第一代PEM电解槽用金属极板-EC500,形成了250kW级PEM电解槽金属极板及其相关产品的研发制造能力,将产品与服务逐步向水电解制氢领域拓展。

而在冲压设备企业中,部分公司已经开始瞄准氢能市场,针对PEM电解槽钛极板制造展开布局。

以江苏兴锻智能为例,目前该公司已组建了团队重点研发不锈钢极板、钛合金极板的冲压装备,并建立了氢燃料电池极板冲压装备的专用车间,用于极板冲压装备的组装。市场开拓方面,已与行业头部企业签署了战略合作协议,并形成了一定的批量订单。

“伺服压力机具有多样的运转模式、下死点停顿保压、可实现正逆往返运动加压、提高模具寿命、节能降噪等多项优点更适合金属极板的规模化生产。” 江苏兴锻智能相关负责人表示,目前公司已经与国内多家头部PEM电解槽企业展开合作,其伺服压力机开始应用在钛极板制造领域。

近年来,PEM记者项目明显增多,以康明斯为代表的国际巨头,以国电投、上海电气、中国石化、中国华电为代表的央企国企,均在PEM制氢方面实现了新突破。未来PEM电解槽极板的用量也会上一个新台阶,这也给伺服压力设备企业带来了新的市场机遇。


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