自9月21日五部委國(guó)補(bǔ)新政出臺(tái)之后，中遠(yuǎn)途和中重型商用車成為國(guó)家重點(diǎn)扶持的應(yīng)用領(lǐng)域，而與之形成配套的大功率燃料電池自然成為當(dāng)下的熱點(diǎn)方向。
10月19日-22日，第四屆中國(guó)（佛山）國(guó)際氫能與燃料電池技術(shù)及產(chǎn)品展覽會(huì)在佛山南海正式召開，參展企業(yè)近300家。在本屆展會(huì)上，多家公司展出了大功率燃料電池電堆產(chǎn)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(chǎn)品驚艷亮相。
150kW電堆代表著現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)可批量交付的車規(guī)級(jí)電堆產(chǎn)品的“天花板”，從研發(fā)、設(shè)計(jì)、批量制造到實(shí)現(xiàn)裝車運(yùn)營(yíng)，勢(shì)必要突破層層關(guān)卡。
“在整個(gè)燃料電池產(chǎn)業(yè)向大功率發(fā)力的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，突破高功率密度電堆設(shè)計(jì)和量產(chǎn)制造瓶頸，引導(dǎo)行業(yè)規(guī)范穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。”上海氫晨總經(jīng)理易培云博士認(rèn)為，現(xiàn)階段燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)需要加強(qiáng)協(xié)作，專注自己最擅長(zhǎng)的部分，共同推進(jìn)產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)。
三大亮點(diǎn)：高性能、高集成、低成本
本次展會(huì)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(chǎn)品。這款電堆采用上海氫晨自主研發(fā)的第二代平臺(tái)化燃料電池產(chǎn)品技術(shù)，電堆額定輸出功率為150kW，體積功率密度達(dá)3.5kW/L，額定功率下電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到51%。
這款150kW大功率電堆具有高性能、長(zhǎng)壽命、車規(guī)級(jí)和低成本的特點(diǎn)。其采用新一代Wave Cross-Flow設(shè)計(jì)，在環(huán)境適應(yīng)性和高效率設(shè)計(jì)方面都進(jìn)行了全方位的改進(jìn)；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(shí)現(xiàn)無(wú)輔熱冷啟動(dòng)，電堆怠速效率67%，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68級(jí)別。
目前這款產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)了全部的DV測(cè)試項(xiàng)目檢驗(yàn)，并且通過(guò)與整車企業(yè)的匹配測(cè)試，達(dá)到車規(guī)級(jí)應(yīng)用的要求。在壽命方面，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)壽命試驗(yàn)驗(yàn)證，這款產(chǎn)品有效運(yùn)行時(shí)間可以突破1萬(wàn)小時(shí)。
從商用場(chǎng)景來(lái)看，這款額定功率達(dá)到150kW的電堆適用于36噸以上的重卡等應(yīng)用場(chǎng)景。上海氫晨以其獨(dú)特的多功能、集成化設(shè)計(jì)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(guò)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(chǎn)品的成本，有利于其市場(chǎng)的推廣。
具體來(lái)看，電堆性能提升可以減少反應(yīng)面積，降低極板和膜電極的用量，帶來(lái)成本下降12.57%；在提升集成度方面，通過(guò)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(dá)76%以上；在降低BOP要求方面，對(duì)進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣量、增濕等要求的降低，可以擴(kuò)大BOP輔件的適配范圍，從而帶來(lái)系統(tǒng)成本降低30%。
“我們的設(shè)計(jì)理念是把方便留給別人，把困難留給自己?！币着嘣票硎?，在對(duì)電堆進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，氫晨就充分考慮到了系統(tǒng)廠商對(duì)于高性能和低成本的要求，在做好電堆的同時(shí)，最大程度地降低其他BOP附件的匹配難度。
150kW電堆量產(chǎn)背后的關(guān)鍵技術(shù)
國(guó)內(nèi)能做出100kW以上電堆的公司有不少，但很少有公司能對(duì)外講清楚其產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)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(duì)外分享其對(duì)于高功率密度電堆設(shè)計(jì)和制造方面的理解，以及氫晨所積累的經(jīng)驗(yàn)。
“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(duì)設(shè)計(jì)和制造方面提出了更高的要求。
在他看來(lái)，上海氫晨之所以能在車規(guī)級(jí)高功率密度電堆上取得重大突破，主要得益于公司在長(zhǎng)期的探索過(guò)程中形成了四大關(guān)鍵技術(shù)。
首先，以“多學(xué)科-跨尺度聯(lián)合仿真技術(shù)”突破高功率密度電堆的設(shè)計(jì)難題。這里面包含大面積復(fù)雜流場(chǎng)的仿真設(shè)計(jì)、均勻分配的公用管道設(shè)計(jì)和不同應(yīng)用場(chǎng)景的的工作點(diǎn)設(shè)計(jì)等思路，其涉及到機(jī)械工程固體力學(xué)、工程熱物理流體力學(xué)和電化學(xué)分子動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。
目前，上海氫晨共有十余名博士長(zhǎng)期從事電堆“多學(xué)科-跨尺度”的仿真計(jì)算，這也是其電堆設(shè)計(jì)與開發(fā)的理論基礎(chǔ)；
其二，以“層疊裝配界面匹配與容差分配技術(shù)”來(lái)解決高功率密度電堆層疊組裝難題，從而實(shí)現(xiàn)大功率輸出。一方面，通過(guò)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(chǔ)模型，通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)金屬極板與膜電極的有效匹配。另一方面，通過(guò)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(duì)接觸壓力影響規(guī)律，上海氫晨主動(dòng)對(duì)電堆部件進(jìn)行容差分配設(shè)計(jì)。目前，上海氫晨可以將整堆側(cè)邊裝配誤差控制在0.2mm以內(nèi)。
其三，以“長(zhǎng)壽命”涂層與高可靠密封技術(shù)來(lái)突破金屬板電堆的耐久性難題，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠長(zhǎng)壽命運(yùn)行。
在長(zhǎng)壽命涂層技術(shù)方面，上海氫晨發(fā)明了多元復(fù)合納米涂層，提出材料梯度過(guò)度及納米孔抑制技術(shù)，通過(guò)致密復(fù)合膜層實(shí)現(xiàn)高耐蝕、納米點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電，從而達(dá)到貴金屬耐蝕導(dǎo)電性能。
在密封技術(shù)方面，上海氫晨通過(guò)密封界面微觀泄露機(jī)理的研究，建立起微觀泄露和界面滑移泄露相結(jié)合的預(yù)測(cè)模型，為燃料電池密封設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。
其四，以電堆的智能制造技術(shù)與裝備突破高功率密度電堆的制造難題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的車規(guī)級(jí)交付。
目前，上海氫晨開發(fā)了電堆的智能制造技術(shù)，依托物料唯一身份編碼與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)部件和電堆的自動(dòng)識(shí)別、配送、匹配、裝配和監(jiān)控，其產(chǎn)品的一致性和品質(zhì)得到有效保證。
協(xié)作大于競(jìng)爭(zhēng) 行業(yè)需要建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
自今年以來(lái)，我國(guó)的燃料電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)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(shí)，國(guó)內(nèi)多家廠商新發(fā)布的燃料電池電堆產(chǎn)品的額定功率都已經(jīng)超過(guò)了100kW以上，很多產(chǎn)品的體積功率密度也超過(guò)豐田的3.1kW/L。
如果僅從媒體報(bào)道的信息，和一些外部曝光的數(shù)據(jù)來(lái)看，中國(guó)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(guó)外的態(tài)勢(shì)。對(duì)于這一現(xiàn)狀，易培云表達(dá)了自己的憂慮。
“現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)燃料電池的功率和功率密度還缺乏一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)?！币着嘣普J(rèn)為，現(xiàn)階段不同的燃料電池企業(yè)對(duì)于電堆測(cè)試和評(píng)價(jià)方法都存在很大的差別，對(duì)于如何計(jì)算電堆的體積和功率，在怎樣的條件下去實(shí)現(xiàn)，不同企業(yè)之間也未達(dá)成共識(shí)。
事實(shí)上，從功率評(píng)價(jià)方面來(lái)看，只有在統(tǒng)一的測(cè)試條件、統(tǒng)一電效率下，得出的功率才具備可比性。但現(xiàn)階段，不同企業(yè)在測(cè)試燃料電池時(shí)，測(cè)試條件和環(huán)境都存在差異，所選定的額定電壓工作點(diǎn)也不同，得出的功率大小自然就會(huì)有很大的不同。
“實(shí)現(xiàn)150kW功率這個(gè)技術(shù)指標(biāo)不難，難的地方在于能保持150kW的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行1個(gè)小時(shí)以上?！痹谝着嘣瓶磥?lái)，電堆企業(yè)不應(yīng)該為了追求數(shù)據(jù)好看，而忽視實(shí)際運(yùn)行的需要。
值得一提的是，現(xiàn)階段由于推廣運(yùn)營(yíng)的燃料電池汽車數(shù)量有限，很多潛在的問(wèn)題尚未爆發(fā)出來(lái)，但這些不能不引起行業(yè)的重視。
“安全是一個(gè)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(yùn)行階段因?yàn)楫a(chǎn)品的質(zhì)量而出現(xiàn)安全事故，將會(huì)對(duì)整個(gè)行業(yè)形成致命打擊?！币着嘣聘嬖V高工氫電，目前整個(gè)行業(yè)處于起步后的加速階段，我們真心希望圈內(nèi)企業(yè)都練好內(nèi)功，腳踏實(shí)地，攜起手來(lái)將氫能產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)。
