鈦材龍頭進(jìn)入氫燃料電池用鈦領(lǐng)域
來源：氫能俱樂部 2021-01-28
近日，寶鈦股份與國家電投成功簽訂“國家示范城市聯(lián)合申報(bào)企業(yè)合作意向書”項(xiàng)目及首批鈦材料采購合同，標(biāo)志著寶鈦股份進(jìn)入新的鈦材應(yīng)用領(lǐng)域。
該項(xiàng)目積極推動(dòng)京津冀、湖北、浙江等地區(qū)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)示范城市群的建設(shè)，對實(shí)現(xiàn)相關(guān)基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵零部件研發(fā)，以及國家燃料電池汽車行業(yè)的發(fā)展提供了核心技術(shù)支持。
早在2017年，寶鈦股份就已提前布局，寶鈦研究院及相關(guān)單位成立了氫能項(xiàng)目組，根據(jù)國家戰(zhàn)略以及未來市場需求，開始研發(fā)氫燃料電池用鈦的技術(shù)攻關(guān)工作。在這期間，寶鈦項(xiàng)目組緊緊圍繞氫燃料電池金屬雙極板性能的要求，積極主動(dòng)攻堅(jiān)克難、反復(fù)試驗(yàn)。2019年10月，鈦金屬雙極板在第一臺(tái)新能源氫能巴士上成功應(yīng)用，經(jīng)后期測試完全滿足前期設(shè)計(jì)要求。2020年9月27日，氫燃料電池產(chǎn)品發(fā)布會(huì)在寧波召開，寶鈦應(yīng)邀參會(huì)并迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。
關(guān)于鈦雙極板
鈦及鈦合金密度低、比強(qiáng)度高且在酸性環(huán)境中耐蝕性優(yōu)異，在氫燃料電池雙極板中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
雙極板作為PEMFC的重要組成部分，占電堆重量的 70% 以上，體積的 50% 左右，其成本為電池成本的 30% ～ 50% 左右。雙極板材料主要分為 3 類，分別為石墨雙極板、復(fù)合材料雙極板、金屬雙極板。
其中，石墨雙極板重量輕、耐蝕性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異，但脆性大，流場加工成本高; 復(fù)合材料雙極板成形性能優(yōu)異、機(jī)械強(qiáng)度高，但導(dǎo)電性較差，且加工成本較高; 相比之下金屬雙極板厚度薄、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異、機(jī)械強(qiáng)度高且氣體隔絕性好，有利于電池比功率密度的提升，此外金屬材料加工工藝成熟，可利用沖壓、壓鑄和激光成形等方式加工高精度的復(fù)雜流場，容易實(shí)現(xiàn)極板的量化生產(chǎn)，已成為氫燃料電池的主流雙極板材料。
金屬雙極板材料一般分為不銹鋼、鋁合金、鈦合金，其中鈦在 PEMFC 環(huán)境中的耐蝕性能優(yōu)于不銹鋼和鋁合金，且其比強(qiáng)度高，能夠進(jìn)一步降低極板的重量，提高 PEMFC 的比功率密度。如日本豐田MIＲAI燃料電池汽車選用鈦?zhàn)鳛殡p極板材料，并采用 3D 網(wǎng)狀流場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相較于不銹鋼直流道流場雙極板，其電堆質(zhì)量功率密度和體積功率密度有了大幅提升。
當(dāng)前制約氫燃料電池商業(yè)化推廣的兩個(gè)重要問題是成本和耐久性，而極板材料、流場加工及極板涂層制備工藝一定程度上決定了雙極板的成本。
石墨和碳基復(fù)合材料在性能上已經(jīng)不能滿足氫燃料電池的要求，金屬材料現(xiàn)已成為氫燃料電池雙極板的主流材料。此外，高功率一直是氫燃料電池的追求目標(biāo)，金屬材料中鈦及鈦合金密度低、比強(qiáng)度高，在氫燃料電池中具有優(yōu)良的耐蝕性，可以明顯降低雙極板重量和體積，從而顯著提升電池的質(zhì)量比功率和體積比功率，且鈦及鈦合金在長期服役運(yùn)行過程中產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物對質(zhì)子交換模和催化劑的毒性較弱，有利于提升電池運(yùn)行的穩(wěn)定性和耐久性。
鈦雙極板表面制備的金屬碳/氮化物和無定型碳涂層綜合性能優(yōu)越，具有較高的研究和應(yīng)用價(jià)值，然而這些涂層易出現(xiàn)針孔缺陷等，因此目前研究的主要目標(biāo)是提升涂層致密性、膜基結(jié)合強(qiáng)度和涂層表面導(dǎo)電性。此外涂層還應(yīng)具有良好疏水性，以促進(jìn)反應(yīng)生成水的排出。要滿足這些綜合性能，對涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組織成分提出了更高要求。
涂層結(jié)構(gòu)組織的復(fù)合化和納米化可以一定程度提升涂層致密性、耐蝕性、導(dǎo)電性，增強(qiáng)鈦極板服役穩(wěn)定性和可靠性，是今后發(fā)展的主要方向。
