国庆长假期间，中国高端精密制造行业又有硬核技术突破消息传来。上海治臻新能源装备有限公司（以下简称“上海治臻”）宣布推出新型碳涂层金属极板产品，在极板成本降低40%-50%的同时，还将金属板燃料电池发动机预期寿命延长至2万小时以上。很快，新技术会以具备年产百万片大规模量产能力的姿态，去触动整个氢燃料电池行业降本。
金属极板价格约占当前主流大功率燃料电池发动机成本的10%-15%。一块金属极板的生产过程包含开模、冲压、涂层、封装等环节。在这其中，涂层成本占到整个金属极板成本的50%左右，涂层好坏是影响金属极板寿命的关键，也是燃料电池汽车发动机寿命的最重要掣肘之一。
国产新型碳涂层金属极板实现量产
与行业当前普遍采用的贵金属涂层不同，碳涂层路线属于非贵金属涂层。上海治臻历时5年研发和实践后才稳定掌握这项新技术。要做到这些，从材料制备，到寿命突破，再到装备制造能力，每一步都是制造业企业“真功夫”的体现。
01 非晶/纳米晶复合，解决寿命难题
在自然界中，从石墨到钻石都属于碳结构材料，材料中的杂化状态不一样，表现出的性能就会呈现出巨大差异，制备工艺方法也各种各样。碳涂层金属极板技术并非新鲜事物，日本丰田从数年前就开始将碳涂层实施在其Mirai燃料电池乘用车上。在上海治臻之前，全球仅丰田一家掌握可以量产的金属极板碳涂层能力。
丰田的碳涂层基于钛金属板，钛板上做碳涂层，无需考虑碳材料本身耐腐蚀的问题。但是，从材料成本来说，不锈钢极板更适合大规模推广燃料电池汽车所用。
纳米晶/非晶复合结构
上海治臻推出的碳涂层技术选定不锈钢为基材，那么在不锈钢基材上，碳涂层材料的耐蚀问题就是个巨大的挑战，它需要从材料和工艺两方面进行长时间的计算和实验。
公司研发团队对香橙会研究院介绍，通过大量的分子动力学模拟发现，在非晶碳涂层中引入特定晶面取向的纳米晶结构，可以增强涂层致密性，提高抗腐蚀介质侵蚀能力，离线加速试验对比表明所开发的碳涂层材料超过贵金属性能。
金属与碳物理性质差异显著，碳涂层很难直接在金属材料上生长，为克服这一难题，通过不同元素的层间梯度匹配，实现涂层材料从金属到非金属的过渡。同时依靠开发的增强等离子体沉积技术，强化了过渡金属与碳材料的化学成键，极大提高了碳涂层与金属极板间的结合力。
自2019年起，客户企业将上海治臻提供的不锈钢碳涂层极板装配至燃料电池上进行耐久性测试，当前已进行了逾万小时，根据实测结果来看，金属极板碳涂层耐蚀问题已被成功解决，符合2万小时以上设计寿命的表现。
02 百万片级装备制造能力
量产能力是考验制造业企业将实验室技术商业化应用的关键。
碳涂层沉积速率慢一直以来都是业界面临的重大技术瓶颈，传统的涂层沉积方式多采用单体旋转式沉积设备，装炉量有限，沉积时间长，可靠性低，导致金属板成本居高不下。
上海治臻基于真空镀膜技术的积累，成功开发了一套增强型等离子体沉积方案，将碳材料沉积速率提高了10倍，为连续镀膜产线的开发奠定了基础。同时在连续装备中引入等离子体闭环控制系统，实现了批量制备中的过程稳定性，保证了产品的一致性和可靠性。
百万片级连续涂层设备
“我们自主开发了连续的碳涂层的装备。我们传统的碳涂层都是单体设备，就是圆形的炉腔在这个里面转，但是这种制造的效率太低了，整个制造的成本太高。所以我们基于我们开发的就是高速沉积的一个工艺方法，开发了连续的沉积的装备，能够实现千万级的沉积的效率。”公司技术人员说。
03 弯道超车
在我国新能源汽车“三纵三横”发展路线中，燃料电池汽车是最晚发展的“一纵”，也是被赋予最多期待的“一纵”，燃料电池汽车肩负我国汽车产业弯道超车的重任。在这条赛道上，中国技术的研发和商业化应用都可以说和国际上保持在同步节奏，2017年底上海首批500台燃料电池物流车上路，到现在仍是全球最大一批燃料电池汽车部署。
2020年9月，五部委发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，明确指引行业向大功率重载发展。金属极板电堆因其单位体积和重量内功率密度更高的特性，符合终端应用场景需求的方向，市场接受度得到迅速提升，可是寿命问题一直困扰金属极板厂商。
将数千小时产品寿命延长至2万小时以上，新型高端碳涂层技术一举迈过了金属极板电堆竞争力的最高门槛，同时还顺带把极板成本降低了一半，为实现弯道超车助了一把大力。
随着示范城市群“揭榜挂帅”推进，牵头系统厂商上交给地方主管部门的车辆实施方案中最被看重的便是可复制性，意味着终端客户的降本需求会愈发饥渴，此时诞生的量产高端碳涂层技术预计将快速在市场打开局面。
根据《节能与新能源汽车技术路线图2.0》规划，到2025年我国氢燃料电池汽车保有量将达到10万辆左右。
面对数十亿片规模的市场容量，上海治臻透露，公司作为课题单位参与的科技部十三五重点研发计划《质子交换膜燃料电池专用极板基材开发》项目，是面向更未来的下一代金属板研发，这代产品会从基材改性入手，彻底抛弃涂层环节，未来的金属极板将不再需要涂层，专用基材的开发将真正助力实现燃料电池双极板面向未来的制造需求。
来源： 香橙会研究院 作者：张摩卡
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