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150kW电堆亮相背后 上海氢晨的忧虑与远见

作者:中国储能网新闻中心 来源:高工氢电 发布时间:2020-10-22 浏览:
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自9月21日五部委国补新政出台之后,中远途和中重型商用车成为国家重点扶持的应用领域,而与之形成配套的大功率燃料电池自然成为当下的热点方向。

10月19日-22日,第四届中国(佛山)国际氢能与燃料电池技术及产品展览会在佛山南海正式召开,参展企业近300家。在本届展会上,多家公司展出了大功率燃料电池电堆产品,上海氢晨新能源科技有限公司(下称“上海氢晨”)携其150kW电堆产品惊艳亮相。

150kW电堆代表着现阶段国内可批量交付的车规级电堆产品的“天花板”,从研发、设计、批量制造到实现装车运营,势必要突破层层关卡。

“在整个燃料电池产业向大功率发力的关键时间节点,突破高功率密度电堆设计和量产制造瓶颈,引导行业规范稳定运行显得尤为重要。”上海氢晨总经理易培云博士认为,现阶段燃料电池产业链企业需要加强协作,专注自己最擅长的部分,共同推进产业做大做强。

三大亮点:高性能、高集成、低成本          

本次展会展示的H2150F型150kW燃料电池电堆是上海氢晨2020年下半年发布的重磅产品。这款电堆采用上海氢晨自主研发的第二代平台化燃料电池产品技术,电堆额定输出功率为150kW,体积功率密度达3.5kW/L,额定功率下电转化效率可达到51%。

这款150kW大功率电堆具有高性能、长寿命、车规级和低成本的特点。其采用新一代Wave Cross-Flow设计,在环境适应性和高效率设计方面都进行了全方位的改进;电堆性能提升了17.7%,电堆偏差下降了52.4%,电堆装配完后的变形量小于0.05mm,能在-30度到85度的区间实现无辅热冷启动,电堆怠速效率67%,防护等级达到IP68级别。

目前这款产品已经通过了全部的DV测试项目检验,并且通过与整车企业的匹配测试,达到车规级应用的要求。在寿命方面,经过长寿命试验验证,这款产品有效运行时间可以突破1万小时。

从商用场景来看,这款额定功率达到150kW的电堆适用于36吨以上的重卡等应用场景。上海氢晨以其独特的多功能、集成化设计理念使此款电堆模块更为小型化、紧凑化,更有利于系统的集成和匹配。

此外,通过采取提升性能、集成度和降低BOP要求等措施,上海氢晨降低了产品的成本,有利于其市场的推广。

具体来看,电堆性能提升可以减少反应面积,降低极板和膜电极的用量,带来成本下降12.57%;在提升集成度方面,通过一体化端板集成集流板、绝缘板和端板,减少了部件,成本降幅可达76%以上;在降低BOP要求方面,对进气压力、进气量、增湿等要求的降低,可以扩大BOP辅件的适配范围,从而带来系统成本降低30%。

“我们的设计理念是把方便留给别人,把困难留给自己。”易培云表示,在对电堆进行设计的时候,氢晨就充分考虑到了系统厂商对于高性能和低成本的要求,在做好电堆的同时,最大程度地降低其他BOP附件的匹配难度。

150kW电堆量产背后的关键技术              

国内能做出100kW以上电堆的公司有不少,但很少有公司能对外讲清楚其产品的关键技术和设计制造思路。

在这方面,上海氢晨的心态是比较开放的,易培云也愿意对外分享其对于高功率密度电堆设计和制造方面的理解,以及氢晨所积累的经验。

“最好的双极板加最好的膜电极,组装的电堆不一定具备最好的性能。”易培云告诉高工氢电,电堆的功率越高,所需要的膜电极和双极板也就越多,这对设计和制造方面提出了更高的要求。

在他看来,上海氢晨之所以能在车规级高功率密度电堆上取得重大突破,主要得益于公司在长期的探索过程中形成了四大关键技术。

首先,以“多学科-跨尺度联合仿真技术”突破高功率密度电堆的设计难题。这里面包含大面积复杂流场的仿真设计、均匀分配的公用管道设计和不同应用场景的的工作点设计等思路,其涉及到机械工程固体力学、工程热物理流体力学和电化学分子动力学等多个学科的知识。

目前,上海氢晨共有十余名博士长期从事电堆“多学科-跨尺度”的仿真计算,这也是其电堆设计与开发的理论基础;

其二,以“层叠装配界面匹配与容差分配技术”来解决高功率密度电堆层叠组装难题,从而实现大功率输出。一方面,通过研究极板与膜电极组件之间微观接触行为,上海氢晨开发了电—力耦合模型与密封基础模型,通过多目标优化实现金属极板与膜电极的有效匹配。另一方面,通过建立电堆层叠式装配模型,分析部件制造误差、装配误差、定位误差对接触压力影响规律,上海氢晨主动对电堆部件进行容差分配设计。目前,上海氢晨可以将整堆侧边装配误差控制在0.2mm以内。

其三,以“长寿命”涂层与高可靠密封技术来突破金属板电堆的耐久性难题,从而实现产品的高可靠长寿命运行。

在长寿命涂层技术方面,上海氢晨发明了多元复合纳米涂层,提出材料梯度过度及纳米孔抑制技术,通过致密复合膜层实现高耐蚀、纳米点实现高导电,从而达到贵金属耐蚀导电性能。

在密封技术方面,上海氢晨通过密封界面微观泄露机理的研究,建立起微观泄露和界面滑移泄露相结合的预测模型,为燃料电池密封设计奠定理论基础。

其四,以电堆的智能制造技术与装备突破高功率密度电堆的制造难题,实现产品的车规级交付。

目前,上海氢晨开发了电堆的智能制造技术,依托物料唯一身份编码与存储数据库,实现部件和电堆的自动识别、配送、匹配、装配和监控,其产品的一致性和品质得到有效保证。

协作大于竞争 行业需要建立统一的评价标准          

自今年以来,我国的燃料电池产业进展飞快,特别是燃料电池电堆的功率和功率密度有了非常明显的提升。

在上海氢晨展出150kW电堆的同时,国内多家厂商新发布的燃料电池电堆产品的额定功率都已经超过了100kW以上,很多产品的体积功率密度也超过丰田的3.1kW/L。

如果仅从媒体报道的信息,和一些外部曝光的数据来看,中国的氢燃料电池在单堆功率和功率密度方面似乎大有“赶超”国外的态势。对于这一现状,易培云表达了自己的忧虑。

“现阶段国内对燃料电池的功率和功率密度还缺乏一个统一的评价标准。”易培云认为,现阶段不同的燃料电池企业对于电堆测试和评价方法都存在很大的差别,对于如何计算电堆的体积和功率,在怎样的条件下去实现,不同企业之间也未达成共识。

事实上,从功率评价方面来看,只有在统一的测试条件、统一电效率下,得出的功率才具备可比性。但现阶段,不同企业在测试燃料电池时,测试条件和环境都存在差异,所选定的额定电压工作点也不同,得出的功率大小自然就会有很大的不同。

“实现150kW功率这个技术指标不难,难的地方在于能保持150kW的状态下,实现一定时间内的稳定运行。H2150F型燃料电池电堆能在150kW额定功率的状态下稳定运行1个小时以上。”在易培云看来,电堆企业不应该为了追求数据好看,而忽视实际运行的需要。

值得一提的是,现阶段由于推广运营的燃料电池汽车数量有限,很多潜在的问题尚未爆发出来,但这些不能不引起行业的重视。

“安全是一个非常值得同行们重视的环节,如果氢燃料电池汽车在示范运行阶段因为产品的质量而出现安全事故,将会对整个行业形成致命打击。”易培云告诉高工氢电,目前整个行业处于起步后的加速阶段,我们真心希望圈内企业都练好内功,脚踏实地,携起手来将氢能产业做大做强。

关键字:氢能

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