自9月21日五部委國補新政出臺之后，中遠途和中重型商用車成為國家重點扶持的應用領域，而與之形成配套的大功率燃料電池自然成為當下的熱點方向。
10月19日-22日，第四屆中國（佛山）國際氫能與燃料電池技術及產品展覽會在佛山南海正式召開，參展企業(yè)近300家。在本屆展會上，多家公司展出了大功率燃料電池電堆產品，上海氫晨新能源科技有限公司（下稱“上海氫晨”）攜其150kW電堆產品驚艷亮相。
150kW電堆代表著現階段國內可批量交付的車規(guī)級電堆產品的“天花板”，從研發(fā)、設計、批量制造到實現裝車運營，勢必要突破層層關卡。
“在整個燃料電池產業(yè)向大功率發(fā)力的關鍵時間節(jié)點，突破高功率密度電堆設計和量產制造瓶頸，引導行業(yè)規(guī)范穩(wěn)定運行顯得尤為重要。”上海氫晨總經理易培云博士認為，現階段燃料電池產業(yè)鏈企業(yè)需要加強協(xié)作，專注自己最擅長的部分，共同推進產業(yè)做大做強。
三大亮點：高性能、高集成、低成本
本次展會展示的H2150F型150kW燃料電池電堆是上海氫晨2020年下半年發(fā)布的重磅產品。這款電堆采用上海氫晨自主研發(fā)的第二代平臺化燃料電池產品技術，電堆額定輸出功率為150kW，體積功率密度達3.5kW/L，額定功率下電轉化效率可達到51%。
這款150kW大功率電堆具有高性能、長壽命、車規(guī)級和低成本的特點。其采用新一代Wave Cross-Flow設計，在環(huán)境適應性和高效率設計方面都進行了全方位的改進；電堆性能提升了17.7%，電堆偏差下降了52.4%，電堆裝配完后的變形量小于0.05mm，能在-30度到85度的區(qū)間實現無輔熱冷啟動，電堆怠速效率67%，防護等級達到IP68級別。
目前這款產品已經通過了全部的DV測試項目檢驗，并且通過與整車企業(yè)的匹配測試，達到車規(guī)級應用的要求。在壽命方面，經過長壽命試驗驗證，這款產品有效運行時間可以突破1萬小時。
從商用場景來看，這款額定功率達到150kW的電堆適用于36噸以上的重卡等應用場景。上海氫晨以其獨特的多功能、集成化設計理念使此款電堆模塊更為小型化、緊湊化，更有利于系統(tǒng)的集成和匹配。
此外，通過采取提升性能、集成度和降低BOP要求等措施，上海氫晨降低了產品的成本，有利于其市場的推廣。
具體來看，電堆性能提升可以減少反應面積，降低極板和膜電極的用量，帶來成本下降12.57%；在提升集成度方面，通過一體化端板集成集流板、絕緣板和端板，減少了部件，成本降幅可達76%以上；在降低BOP要求方面，對進氣壓力、進氣量、增濕等要求的降低，可以擴大BOP輔件的適配范圍，從而帶來系統(tǒng)成本降低30%。
“我們的設計理念是把方便留給別人，把困難留給自己。”易培云表示，在對電堆進行設計的時候，氫晨就充分考慮到了系統(tǒng)廠商對于高性能和低成本的要求，在做好電堆的同時，最大程度地降低其他BOP附件的匹配難度。
150kW電堆量產背后的關鍵技術
國內能做出100kW以上電堆的公司有不少，但很少有公司能對外講清楚其產品的關鍵技術和設計制造思路。
在這方面，上海氫晨的心態(tài)是比較開放的，易培云也愿意對外分享其對于高功率密度電堆設計和制造方面的理解，以及氫晨所積累的經驗。
“最好的雙極板加最好的膜電極，組裝的電堆不一定具備最好的性能?！币着嘣聘嬖V高工氫電，電堆的功率越高，所需要的膜電極和雙極板也就越多，這對設計和制造方面提出了更高的要求。
在他看來，上海氫晨之所以能在車規(guī)級高功率密度電堆上取得重大突破，主要得益于公司在長期的探索過程中形成了四大關鍵技術。
首先，以“多學科-跨尺度聯合仿真技術”突破高功率密度電堆的設計難題。這里面包含大面積復雜流場的仿真設計、均勻分配的公用管道設計和不同應用場景的的工作點設計等思路，其涉及到機械工程固體力學、工程熱物理流體力學和電化學分子動力學等多個學科的知識。
目前，上海氫晨共有十余名博士長期從事電堆“多學科-跨尺度”的仿真計算，這也是其電堆設計與開發(fā)的理論基礎；
其二，以“層疊裝配界面匹配與容差分配技術”來解決高功率密度電堆層疊組裝難題，從而實現大功率輸出。一方面，通過研究極板與膜電極組件之間微觀接觸行為，上海氫晨開發(fā)了電—力耦合模型與密封基礎模型，通過多目標優(yōu)化實現金屬極板與膜電極的有效匹配。另一方面，通過建立電堆層疊式裝配模型，分析部件制造誤差、裝配誤差、定位誤差對接觸壓力影響規(guī)律，上海氫晨主動對電堆部件進行容差分配設計。目前，上海氫晨可以將整堆側邊裝配誤差控制在0.2mm以內。
其三，以“長壽命”涂層與高可靠密封技術來突破金屬板電堆的耐久性難題，從而實現產品的高可靠長壽命運行。
在長壽命涂層技術方面，上海氫晨發(fā)明了多元復合納米涂層，提出材料梯度過度及納米孔抑制技術，通過致密復合膜層實現高耐蝕、納米點實現高導電，從而達到貴金屬耐蝕導電性能。
在密封技術方面，上海氫晨通過密封界面微觀泄露機理的研究，建立起微觀泄露和界面滑移泄露相結合的預測模型，為燃料電池密封設計奠定理論基礎。
其四，以電堆的智能制造技術與裝備突破高功率密度電堆的制造難題，實現產品的車規(guī)級交付。
目前，上海氫晨開發(fā)了電堆的智能制造技術，依托物料唯一身份編碼與存儲數據庫，實現部件和電堆的自動識別、配送、匹配、裝配和監(jiān)控，其產品的一致性和品質得到有效保證。
協(xié)作大于競爭 行業(yè)需要建立統(tǒng)一的評價標準
自今年以來，我國的燃料電池產業(yè)進展飛快，特別是燃料電池電堆的功率和功率密度有了非常明顯的提升。
在上海氫晨展出150kW電堆的同時，國內多家廠商新發(fā)布的燃料電池電堆產品的額定功率都已經超過了100kW以上，很多產品的體積功率密度也超過豐田的3.1kW/L。
如果僅從媒體報道的信息，和一些外部曝光的數據來看，中國的氫燃料電池在單堆功率和功率密度方面似乎大有“趕超”國外的態(tài)勢。對于這一現狀，易培云表達了自己的憂慮。
“現階段國內對燃料電池的功率和功率密度還缺乏一個統(tǒng)一的評價標準?！币着嘣普J為，現階段不同的燃料電池企業(yè)對于電堆測試和評價方法都存在很大的差別，對于如何計算電堆的體積和功率，在怎樣的條件下去實現，不同企業(yè)之間也未達成共識。
事實上，從功率評價方面來看，只有在統(tǒng)一的測試條件、統(tǒng)一電效率下，得出的功率才具備可比性。但現階段，不同企業(yè)在測試燃料電池時，測試條件和環(huán)境都存在差異，所選定的額定電壓工作點也不同，得出的功率大小自然就會有很大的不同。
“實現150kW功率這個技術指標不難，難的地方在于能保持150kW的狀態(tài)下，實現一定時間內的穩(wěn)定運行。H2150F型燃料電池電堆能在150kW額定功率的狀態(tài)下穩(wěn)定運行1個小時以上?！痹谝着嘣瓶磥恚姸哑髽I(yè)不應該為了追求數據好看，而忽視實際運行的需要。
值得一提的是，現階段由于推廣運營的燃料電池汽車數量有限，很多潛在的問題尚未爆發(fā)出來，但這些不能不引起行業(yè)的重視。
“安全是一個非常值得同行們重視的環(huán)節(jié)，如果氫燃料電池汽車在示范運行階段因為產品的質量而出現安全事故，將會對整個行業(yè)形成致命打擊。”易培云告訴高工氫電，目前整個行業(yè)處于起步后的加速階段，我們真心希望圈內企業(yè)都練好內功，腳踏實地，攜起手來將氫能產業(yè)做大做強。
