易培云:大功率金属板电堆技术挑战与产业化

文章来源:AI汽车制造业 发布时间:2021-09-05
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在9月5日08:30~10:00 热点聚焦:新示范政策引领下的燃料电池汽车产业化突破路径中,上海氢晨新能源科技有限公司总经理易培云发表了题为“大功率金属板电堆技术挑战与产业化”的主旨演讲。

2021年9月3日-5日,由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车报社联合主办,天津经济技术开发区管理委员会特别支持,日本汽车工业协会、德国汽车工业协会联合协办的第十七届中国汽车产业发展(泰达)国际论坛(以下简称泰达汽车论坛)于2021年9月3日-5日在天津市滨海新区召开。本届论坛围绕“融合•创新•绿色”的年度主题,聚焦行业热点话题展开研讨。

9月508:30~10:00 热点聚焦:新示范政策引领下的燃料电池汽车产业化突破路径中,上海氢晨新能源科技有限公司总经理易培云发表了题为“大功率金属板电堆技术挑战与产业化”的主旨演讲。

上海氢晨新能源科技有限公司总经理  易培云

以下为演讲实录:

尊敬的各位领导和嘉宾大家上午好,刚才衣院士和王总都是行业的大咖。我作为一个后来者更多的是从技术层面跟大家做一个分享。我的题目是大功率金属板电堆技术挑战与产业化。

实际上前面也讲到了氢能是大的背景,学术界认为非化石能源是第四次革命,电堆类似于蒸汽机,内燃机是石油作为动力,燃料电池可以使风光太阳能作为动力。当前产业提到“双碳”,实际上碳达峰容易,碳中和难,因为经济发展总量上升,2030年我们估算会产生120到125亿吨碳排放, 2030年到130亿吨, 2060年只允许15亿吨排放。

氢作为一个重要的碳税,49吨的重卡目前是1元碳税,但是后面欧洲和美国也会加大对我们的要求,也就是说现在一辆重卡将来的碳税也是40多万,这是一个大的逻辑。燃料电池行业比锂电池难,我们需要关注加氢站、制储运加,还有光伏和风电,也需要解决电堆的问题。这个行业特别长,从电堆系统空压机包括电堆打开以后有碳纸等八大零部件,这些年有些进步,八大核心零部件大部分已经实现国产化。

第二块是技术挑战。这里面难处非常多,一个百千瓦级有400对双极板和膜电极串联叠装,在超过800个密封面上布置着1500米长的密封线。有1600加2800多个零件,尤其难是燃料电池是串联系统对可靠性要求非常高的,非常难控制。一个电堆大概1500米长,一个里面60平米的防腐室。归纳起来第一个是单节面积达到750平方厘米,第二个是叠装品数130到400节,第三个是效率,装配时间怎么样和发动机匹配做到几分钟。大功率电堆设计需要通过多学科跨尺度的联合仿真方法,这是电堆面临的最大挑战。试错成本很高,大部分需要靠计算,但计算很难,一个双极板一个流导是40微米,一个涂层大概20纳米,目前没有哪个软件可以从头到尾。另外它是跨学科的东西,需要把装配尺寸公差压力做好,这是机械固体力学的问题,需要把第1节和第400节做好进口和出口的压差均匀,这是一个流体力学的问题,电化学里面学问更多,交大有几十个博士在做。

实现产业化我认为核心的能耗,具体凝练成三个方面,第一个高可靠设计,第二个高一致的装配,第三个高效率的柔性产线。

第一个可靠设计方面需要大面积复杂流场设计,典型的多场耦合模型,这里面一个双极板有80个流道,需要做多场耦合仿真技术,通过一些可靠的设计可以提高15%的性能。

第二个是高可靠的密封。我认为比催化剂和涂层更重要,密封失效就是灾难,一旦密封失效就是漏水漏气,材料失效还可以用,如果密封失效是不可预见的。这里面有很多的微观失效的机理。包括力的设计,在装配过程中,受的压不一样,尤其在振动和滑移的情况下,振动或者是气温的变化都会产生不利影响。还有就是公差,这么多零件在一起如何保证零件的吻合,膜电极和电极板都需要尺寸的概念,有了尺寸以后要分析尺寸的传递,要分析尺寸的相互影响,最后再作出一个总的高度设计。另外就是偏差的描述,任何一个零件都有偏差,包括双极板和膜电极。目前氢也做不到随便装,还需要做筛选,这样的筛选可以做到现有的产能情况下提高质量。还有层叠结果过程中,定位误差分析是一个柔性件,我们做了大量的空间矩阵,从学术来讲,叫刚柔耦合的模型。我们提出了一面六杆的变形补偿。如何做到振动和冷热交替在冬天和夏天的情况下,保证压力的均匀和碳的压缩量,将400节的偏差降到了20以内。

第三块是高效的柔性制造,其实当前行业产能几十万太我认为做不到,做到万台就可以了,因为当前示范城市需求大概只有4000多台,大批量也可以做,包括部件的快速检测和精度都可以另外在可抓取放置的情况下,可以通过二维码的识别和机械手的识别,还有一些机器人的堆垛技术做到了自动化的生产, 一个电堆可以做到20分钟以内。

最后介绍一下氢晨公司,2017年注册,2019年运营,我们在临港地区,吸引了大量的龙头企业,包括康明斯,嘉资等企业,我们的氢产定位很清晰:只做电堆,使命是上下游共同合作,最终使燃料电池和发动机的体积成本和寿命相当,当然目前还是无法和发动机相比。目前来说我们做的大功率的80千瓦以上,从80千瓦到150千瓦的电池,80千瓦电池可以用作公交物流,120千瓦可以用作通勤车乘用车。举个例子,去年有一个电堆的低温存储低温启动防水防尘都可以达到标准。电堆的开发很困难,尤其刚才提到的样机,将样机放大也是未来的希望,尤其在国内的整车厂大功率系统已经做到了批量化的应用,尤其在重卡方面东峰、福田、大运等企业和公交车、环卫车、一些SUV项目都在用我们的电堆。

最后介绍一下我们临港自贸区的氢产业园,第一个加氢站已经投入了使用,也希望各位领导和朋友到临港区去指导。

本文根据泰达汽车论坛现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅,仅供参考。


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