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大功率金属板电堆技术突破与示范应用

来源:国际金属加工商情 发布时间:2022-03-25 925
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——与上海氢晨新能源科技有限公司总经理易培云教授一席谈

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上海氢晨新能源科技有限公司总经理易培云教授


2月25日,长三角燃料电池汽车产业化发展研讨会在上海成功召开。在主旨演讲环节,来自上海氢晨新能源科技有限公司总经理易培云教授对氢能和燃料电池行业的发展情况做了介绍。


根据高工产研氢电研究所(GGII)发布数据显示,2021年中国市场氢燃料电池金属板电堆出货量354MW,占总出货量的47%,形成与石墨(复合)电堆一较高下的态势;单从金属板电堆出货量来看,2021年相较2020年,出货量增长203%。


作为国产金属板电堆出货量前10位的企业之一,氢晨科技年产能已达到10000台套/年,基于H2技术开发的80kW、100kW、120kW和150kW等四款大功率电堆均已实现百台级装车。易培云教授指出,目前燃料电池在重型商用车领域已开始有批量化应用,但存在“小马拉大车”的情形,动力不足、氢耗高,行业突破大功率电堆技术势在必行。


相较于石墨(复合)板电堆,金属板电堆在功率、功率密度、重量、体积、抗振、批量制备、冷启动等方面优势明显。多年来,金属板电堆市场份额一直在努力追赶但至今还未实现超越石墨(复合)板电堆的原因在于:首先,燃料电池的运行环境很恶劣:高电压、高氧化、高湿度,导致金属板的抗腐蚀性非常难,影响寿命。其次,金属板的设计与加工制造的难度非常大:1、阴极板与阳极板高度关联,不能独立设计;2、冷却液流场由阴极流场背面和阳极流场背面组成,无法单独设计;3、极板在几个工序都有变形的可能性:冲压、 清洗、焊接、镀层;4、需要考虑板材的特性与加工难度,不能有分子水平大小的针眼;5、极板的面积越大,加工难度越大。


“从燃料电池发明到今天已有100多年的时间了,为什么到今天才觉得有希望用?主要是因为制造太难了,”易培云教授说道,“以100kW的电堆为例,单片金属板的面积大约在700平方厘米,它大概有400个双极板、400个膜电极,800个密封圈,密封长度大概1500米,如果按照单件来算的话,大概有4000多个零件,要把这些零件全部串联在一起,同时,要确保碳值均匀不泄露,难度非常大。”


在易培云教授看来,燃料电池要实现产业化,需要突破三个难题:一是材料设计,二是流体设计,三是工艺装备设计。“以氢晨科技生产的电堆为例,一个堆的长度大概600厘米,打开每片金属板的长度大概104厘米,每个流到道400微米,到气体扩散层,孔40微米,涂层200纳米,再到催化层可能是10-10米,这一层层的计算就非常难。”易培云教授说道,“同时,电堆做的越大,它的分配就越困难,氢晨科技从130节做到了现在的400节,甚至下一代我们要做600节的电池,如何保证第一层、第二层、第一百层、第三百层、第四百层都得到了均匀的气体和水冷?其次,气体和水的流向怎么控制?最后,这么多零件如何精确的装配?从设计环节开始,就要保证一致性。”


易培云教授将氢晨科技的核心技术体系总结为四点:1、多材料体系的高通量计算方法;2、大功率电堆高可靠设计方法;3、层叠结构高一致叠装技术;4、批量制造高效率柔性产线。


材料方面。以催化剂配方为例,以往需要通过第一性原理、分子动力学来进行模拟、匹配材料的导电性、耐蚀性、传质阻力等等,十几种元素放到一起可能有上万种组合。易培云说:“通过批量的高通量计算,我们可以很快筛选出5-7个配方,这样就能够缩短开发时间。此外,催化剂发电量的提升,也降低了成本。” 随着电堆的小型化,如何精确调控碳质的口径、碳纤维的走向和压缩模量关系到未来电堆的性能。


设计方面,以流体结构为例,如何保证每一层、每一个流道的气体都分配均匀?答案就是,大量的仿真。 “通过一些新的创新的结构设计,氢晨将电堆的性能提高了17%,而且这种创新是属于知识库的,不增加任何的成本,以后还能带来收益,这是非常有意义的。”


密封方面,与燃油发动机相同的一点是,如果电堆出现泄漏或者密封不好的情况,整个汽车就会失去动力。“在常温下装配好的电堆,到了零下40℃,材料的压缩模量、力学性能、脆性都会发生变化,接触层间的装配压力也会改变。这一点除了使用通风材料还得改进密封的结构。一体化技术实现了一次注塑成型,使金属板电堆的工业化之路又前进了一步。”


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装配方面,氢晨科技引入了大数据计算方法进行筛选,确保将性能一致性好的零件装在一起。“利用神经网络算法进行零件匹配,比如说后台显示,003号的双极板和008号的膜电极装在一起是最好的,这样的话,我们可以将两个不完美的零件合成一个完美。通过平面六杆的新方法,通过研究刚度矩阵来控制零件的旋转,目前氢晨科技的装配直线度可达到0.3mm。”


最后是自动化。“装配线的自动化看似容易,其实里面的问题非常复杂,一个零件如果要从a处移到b处,速度应该是多少?怎么样才能没有振动?我们的双极板也好,膜电极也好,都非常薄,在抓取的过程如果产生抖动,就会放不准,只要错位达到到0.3mm以上,就会影响密封,电堆马上就开始漏气,所以在这一点上,我们还需要进行更多的动力学的研究。”


结语


为实现“双碳”目标,上海积极布局新能源开发建设,培育“一环”“六带”的氢燃料电池汽车产业创新生态。临港新片区正发力氢能产业,建设“国际氢能谷”,打造氢能发展引领区。《临港新片区打造高质量氢能示范应用场景实施方案(2021-2025年)》指出,未来临港新片区将推广1500辆燃料电池车辆。包括货运物流领域推广600辆,其中重卡300辆、物流车300辆。还将围绕中运量公交和常规公交体系建设,重点布局710辆燃料电池车。积极引导市场化开发,培育发展产业园区通勤班车100辆。到2025年,临港新片区还将建成各类型加氢站14座,总加氢能力不少于38吨/天。


2021年10月中旬,搭载氢晨科技H2系列燃料电池电堆的6辆氢能公交,在上海临港新片区的临港7路和临港7路B线正式投入运营。未来,请期待氢晨给我们带来的更多可能!


来源:荣格-《国际金属加工商情》


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