驥翀氫能37歲工程師成功研制“烏金涂層”，將燃料電池金屬板涂層成本降低60%

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(qiáng)度酸性腐蝕溶液之中,5個(gè)小時(shí)后,表面涂層仍安然無(wú)恙。

這項(xiàng)神奇的技術(shù)叫做“烏金涂層”,是由驥翀氫能全資子公司常州翊邁開發(fā)的第四代燃料電池金屬板涂層技術(shù),能夠?qū)⑷剂想姵亟饘匐p極板腐蝕電流降低到5μA/cm²,目前行業(yè)中相同測(cè)試環(huán)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?qū)㈦p極板壽命提高到30,000小時(shí)以上,處于業(yè)界領(lǐng)先水平。

常州翊邁總工程師韓治昀調(diào)試設(shè)備

在江蘇驥翀的量產(chǎn)基地里,常州翊邁總工程師韓治昀正在調(diào)試設(shè)備,他正是“烏金涂層”的技術(shù)帶頭人,也是我國(guó)離子鍍膜領(lǐng)域?qū)＜?獲得的燃料電池金屬雙極板涂層第一發(fā)明專利數(shù)量全國(guó)領(lǐng)先。“我們研發(fā)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(rèn)在氫燃料行業(yè)中不算年輕,“能在這個(gè)‘冷門’行業(yè)堅(jiān)持10年以上的是極少數(shù)。”他笑著說(shuō)道。近兩年,隨著政策的引導(dǎo),氫燃料產(chǎn)業(yè)終于迎來(lái)爆發(fā),不僅讓韓治昀感嘆自己的堅(jiān)守是值得的,更是讓他多年來(lái)積累、開發(fā)的金屬板涂層技術(shù)的巨大價(jià)值得以顯現(xiàn)。

在幾微米涂層上構(gòu)建精密“系統(tǒng)工程”,難度大、壁壘高

電堆是氫燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng),通過(guò)氫氧兩極的電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)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(shuō)電堆是氫燃料電池汽車開發(fā)中最難、技術(shù)壁壘最高的環(huán)節(jié),那么金屬雙極板涂層可以稱為“難點(diǎn)中的難點(diǎn)”。

金屬板因其體積小、重量輕、阻氣性好、量產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì),有助于提升電堆的功率密度和商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,被認(rèn)為是理想的燃料電池雙極板技術(shù)路線。但雙極板在電堆產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程中,起到分隔氫氧兩極和傳導(dǎo)電流、熱量的作用,其表面也不可避免受到電化學(xué)反應(yīng)的腐蝕,如果不加以阻止,不僅導(dǎo)致電堆的電輸出性能降低,還會(huì)縮短金屬雙極板的壽命,進(jìn)而影響電堆使用壽命,嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生金屬板穿孔,危險(xiǎn)極大。涂層技術(shù)就是為了減緩、阻止電化學(xué)反應(yīng)對(duì)金屬雙極板的腐蝕影響到金屬雙極板的耐久性和導(dǎo)電性兩大重要指標(biāo),成為金屬雙極板生產(chǎn)制造過(guò)程中的核心技術(shù)。

常規(guī)的防腐材料幾乎不導(dǎo)電,而導(dǎo)電材料在燃料電池酸性電化學(xué)環(huán)境下又不防腐,自然界只有金、鉑等貴金屬兼具防腐和導(dǎo)電功能,但由于價(jià)格高昂并不適合商業(yè)化應(yīng)用。制備氫燃料電池運(yùn)行條件下兼具耐蝕、導(dǎo)電、低成本特性的涂層材料,成為制約金屬板在燃料電池領(lǐng)域應(yīng)用的世界性難題,進(jìn)而制約了燃料電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

韓治昀表示:“涂層技術(shù)涉及到材料、結(jié)構(gòu)、工藝、設(shè)備等多個(gè)環(huán)節(jié),看似只有幾微米的涂層,卻是一個(gè)龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)工程。”

從工藝到環(huán)境,極致精細(xì)化管理積累成為“技術(shù)突破”

韓治昀及其所在的常州翊邁團(tuán)隊(duì),背靠大連理工大學(xué)三束國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家氫能“863”項(xiàng)目,是我國(guó)最早進(jìn)行燃料電池金屬板涂層技術(shù)與裝備研發(fā)的團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)從2002年項(xiàng)目立項(xiàng)到第一臺(tái)連續(xù)型金屬雙極板涂層產(chǎn)業(yè)化裝備與技術(shù)落地,歷時(shí)20年,期間已先后開發(fā)4代涂層裝備與涂層體系。

研究生畢業(yè)后,韓治昀擔(dān)任常州市清潔鍍膜實(shí)驗(yàn)室主任,從研發(fā)轉(zhuǎn)為工程開發(fā)。2014年,常州翊邁正式成立,韓治昀擔(dān)任總工程師,負(fù)責(zé)將金屬雙極板涂層技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化。

“實(shí)驗(yàn)室更關(guān)注底層科學(xué)邏輯,而產(chǎn)業(yè)化則更注重精細(xì)化管理。”韓治昀總結(jié)道:“誰(shuí)能實(shí)現(xiàn)每一個(gè)環(huán)節(jié)的精細(xì)化管理,把細(xì)節(jié)做到極致,實(shí)現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的質(zhì)量控制,同時(shí)把成本做到最低,誰(shuí)就能獲得市場(chǎng)的認(rèn)可。”

江蘇驥翀量產(chǎn)基地,涂層設(shè)備正在運(yùn)行

在翊邁與某燃料電池電堆龍頭企業(yè)的合作中,充分體現(xiàn)了“精細(xì)化管理”的決定性作用。當(dāng)時(shí),涂層的結(jié)合力出現(xiàn)了問(wèn)題,客戶甚至提出更換供應(yīng)商。時(shí)間緊、任務(wù)重,韓治昀帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)通宵實(shí)驗(yàn),分析了所有工藝因素,卻仍舊一籌莫展。“我們沒(méi)有放棄,而是進(jìn)一步擴(kuò)大分析范圍至環(huán)境因素,最終發(fā)現(xiàn)是大氣中某元素含量超標(biāo),然后通過(guò)技術(shù)管控增強(qiáng)了涂層結(jié)合力。這樣一來(lái),不僅滿足了客戶的需求,還由此獲得啟發(fā),開發(fā)出了我們的第三代‘黑金剛’涂層技術(shù)。”

“黑金剛”涂層技術(shù)算得上國(guó)內(nèi)金屬雙極板涂層產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)者,該技術(shù)推出一年之后,市場(chǎng)上才逐漸出現(xiàn)類似的技術(shù)應(yīng)用。在韓治昀的“精細(xì)化”把控之下,常州翊邁不斷突破,成功研發(fā)第四代“烏金”涂層技術(shù),解決金屬板防腐、導(dǎo)電、低成本等行業(yè)瓶頸,又在此基礎(chǔ)上于2021年通過(guò)工藝與裝備升級(jí),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(yè)中相同技術(shù)路線下腐蝕電流水平是50～300μA/cm²,我們能夠?qū)⑵浣档偷?μA/cm²,算是一個(gè)不小的成果,我個(gè)人也覺得做了一件很有價(jià)值的事情。”韓治昀說(shuō)道。

加緊新一代技術(shù)開發(fā),迎接行業(yè)爆發(fā)

能夠進(jìn)入到涂層領(lǐng)域并且堅(jiān)守10多年,韓治昀認(rèn)為這是自己與涂層技術(shù)“解不開”的奇妙緣分。

韓治昀本科學(xué)的是無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè),雖然都與“材料”有關(guān),卻和涂層材料領(lǐng)域相差甚遠(yuǎn)。無(wú)機(jī)非金屬材料屬于傳統(tǒng)行業(yè),畢業(yè)后韓治昀和許多同學(xué)一樣,進(jìn)入了專業(yè)對(duì)口的傳統(tǒng)行業(yè)工作。但是,在韓治昀內(nèi)心一直不甘于按部就班的生活,他希望創(chuàng)造更大的價(jià)值。

偶然的機(jī)會(huì)下,韓治昀從公司離職,全心備考跨專業(yè)的大連理工大學(xué)金屬材料專業(yè)研究生。初試順利通過(guò)后,卻因?yàn)閷I(yè)不對(duì)口的原因沒(méi)有通過(guò)復(fù)試。韓治昀并沒(méi)有氣餒,他決定再試一次。第二次進(jìn)入復(fù)試環(huán)節(jié),大連理工大學(xué)林國(guó)強(qiáng)教授聽說(shuō)韓治昀考了兩次,被這份耐心和執(zhí)著所打動(dòng),破格接收了韓治昀。

畢業(yè)后,從實(shí)驗(yàn)室的研究工作到公司的產(chǎn)業(yè)化工作,韓治昀一直從事金屬雙極板涂層技術(shù)的開發(fā)。然而,如今急速發(fā)展的氫燃料電池行業(yè),卻遭遇過(guò)很長(zhǎng)一段時(shí)間的“冷遇”,作為燃料電池金屬雙極板核心技術(shù)的涂層產(chǎn)業(yè)因金屬板電堆研發(fā)壁壘高、從業(yè)企業(yè)少,更是少有人問(wèn)津。

韓治昀回憶,2018年下半年到2019年,整個(gè)行情很差,常州翊邁也受到了影響,幾乎沒(méi)有訂單,公司生存受到了來(lái)自四面八方的壓力。然而,在導(dǎo)師林國(guó)強(qiáng)教授和驥翀氫能董事長(zhǎng)付宇博士的陪伴與鼓勵(lì)之下,韓治昀頂住了質(zhì)疑,繼續(xù)在行業(yè)中堅(jiān)守,最終迎來(lái)了行業(yè)的爆發(fā)。

驥翀氫能金屬板涂層設(shè)備

如今,氫燃料電池技術(shù)不斷取得突破,燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈基本建立了起來(lái)。根據(jù)最新發(fā)布的《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃(2021-2035年)》,到2025年我國(guó)氫燃料電池汽車保有量目標(biāo)達(dá)到約5萬(wàn)輛。在整個(gè)行業(yè)的蓄勢(shì)待發(fā)中,韓治昀也感到“要做的事情還很多,時(shí)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(shù)的應(yīng)用范圍。但是當(dāng)下對(duì)于韓治昀來(lái)說(shuō),最緊迫的事情就是第五代金屬雙極板涂層技術(shù)的開發(fā),他給自己確立了目標(biāo):“第五代技術(shù)必須要在2023年一季度攻克,總公司驥翀氫能在研發(fā)方面給了我們很大支持,所以我也很有信心把第五代技術(shù)做到國(guó)際領(lǐng)先!”