氫晨新能源麥建明：超大功率電堆技術(shù)及進(jìn)展
圖為上海氫晨新能源科技有限公司麥建明博士作主題演講
8月25日，由中國電池工業(yè)協(xié)會(huì )、電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2023氫能與燃料電池技術(shù)及應用國際峰會(huì )”在中國上海隆重舉行。
上海氫晨新能源科技有限公司麥建明博士作題為《超大功率電堆技術(shù)及進(jìn)展》的主題演講。
以下是發(fā)言?xún)热輰?shí)錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
麥建明：今天的報告內容主要分成三個(gè)部分：第一個(gè)是想講技術(shù)方面，第二部分是從產(chǎn)品方面，第三個(gè)部分在產(chǎn)品應用。
要做大功率的電堆其實(shí)還是有三個(gè)方面技術(shù)需要考慮的，功率大就是千瓦，千瓦乘以電壓，電流的話(huà)就需要很大的單位截面積過(guò)很大的電流，第二個(gè)的話(huà)，燃料電池每一片單節電池工作電壓都是在0.6、0.7伏左右的，所以就是說(shuō)我們要實(shí)現大功率，一方面要大電流，一方面也要高電壓，所以我們這邊的話(huà)就需要有一個(gè)很高的疊片數。以前的話(huà)可能幾十片十幾片，現在我們要在交流領(lǐng)域用的話(huà)，要上百千瓦，我們整個(gè)電堆就需要有一個(gè)很高的疊裝數，比如說(shuō)我們這邊要130-400節，我們之前150千瓦電堆就是400節的單元。
第三個(gè)我們這么大的堆要用到公共交通領(lǐng)域，那么多車(chē)的應用，我們就需要有一個(gè)很高的生產(chǎn)節拍，它和發(fā)動(dòng)機不一樣，發(fā)動(dòng)機可能就是一個(gè)鋼鐵里面幾個(gè)活塞裝起來(lái)，但是里面的話(huà)是幾百節這樣的膜電極、燃料電池單體疊加在一起的，所以裝配的時(shí)間、裝配的質(zhì)量形成了生產(chǎn)效率的瓶頸，所以我們現在工程就是這三個(gè)：大面積、疊裝片數多，裝備時(shí)間多，我們形成技術(shù)條件的話(huà)，對密封有一個(gè)難題。
第二個(gè)就是說(shuō)像電堆，如果不注意的話(huà)可以看到電堆疊起來(lái)是彎的待會(huì )兒可以看到我們裝起來(lái)是什么樣的效果。第三個(gè)就是我們怎么提高效率，這邊就是我們自主開(kāi)發(fā)的設備。
我們這邊的話(huà)核心技術(shù)主要是有四個(gè)方面，第一個(gè)就是從材料方面進(jìn)行多材料體系高通量計算方式，第二個(gè)的話(huà)是高功率電堆，高可靠設計方法，第三個(gè)層疊結構高一致，疊裝技術(shù)，第四個(gè)是批量制造，高效率產(chǎn)線(xiàn)。
首先第一個(gè)從材料方面，材料的話(huà)我們基于材料性能第一性原理來(lái)進(jìn)行計算，一個(gè)方面從材料的原值尺度進(jìn)行建模，再用電子的數據理論來(lái)預測膜電極導電性能，包括膜電極里面的，包括催化層里面的。
第三個(gè)包括表面原子動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程精準仿真，這個(gè)主要用在電堆是金屬極板的話(huà)有腐蝕，所以我們這邊要做表面的防腐。這方面表面原子動(dòng)態(tài)吸附過(guò)程，其實(shí)就是表面保護層承接工藝的仿真工作。
第二個(gè)材料的制備與介質(zhì)傳輸分子動(dòng)力學(xué)，我們是通過(guò)納米復合材料建模，模擬金屬極板表面的導電以及防腐整個(gè)結構。
然后離子傳輸通道是動(dòng)力學(xué)模擬，還有一個(gè)納米微控傳輸，這個(gè)是膜電極里面質(zhì)子傳輸過(guò)程的模擬。我們這邊剛才也提到了多材料體系的高通量計算方法，什么是多材料體系呢？因為我們要在眾多的材料里面選擇合適的材料，來(lái)去提升我們電堆的性能，一方面是它的保護性能，一方面是它的反應活性，所以我們這邊就采用高通量的材料制備。
第一個(gè)包括通過(guò)二元、四元的分離模板，通過(guò)不同的沉積工藝來(lái)一次性、大批量的做不同的材料，最終形成一個(gè)表面防腐層，然后再進(jìn)行高通量材料表征，然后來(lái)探尋我們這邊最終的合適材料方案。
第二部分就是大功率電堆的高可靠設計方法，我們是考慮了這幾個(gè)方面，第一個(gè)極板它是一個(gè)把燃料電池里面的燃料和空氣分布下來(lái)，提高它的分布質(zhì)量以及提高反應的效率，我們設置了包括第一個(gè)是從流體進(jìn)入流場(chǎng)的時(shí)候，有一個(gè)導槽復合式的分流，還有一個(gè)全物理場(chǎng)的3D燃料電池分析模型，我們是進(jìn)行了建模設計。
最后通過(guò)這個(gè)流道設計分析，來(lái)提升它的包括強化二次增強排水，來(lái)實(shí)現這個(gè)性能的提升。燃料電池因為里面一方面是氫氣和空氣電化學(xué)反應，但是我們只需要它是一個(gè)電化學(xué)反應，而不是直接讓它燒起來(lái)，爆炸一下，所以在這里面氫氣是作為一個(gè)很容易泄露的介質(zhì)，我們就需要考慮它的微觀(guān)泄露模型，考慮它的密封性能安全問(wèn)題。
一方面我們建立了微觀(guān)泄露模型，還有密封裝配過(guò)程的仿真設計，從材料方面以及它的結構方面來(lái)提升它的整個(gè)密封以及安全性。電堆剛才也說(shuō)過(guò)了它是一個(gè)大功率的電堆，需要有很多的膜電極、雙極板包括電池單元結合起來(lái)的，這些結合起來(lái)并不是說(shuō)用個(gè)膠水粘起來(lái)就可以了，我們是通過(guò)這個(gè)疊片安裝，外面就可以看到這里有一圈的密封，包括像這里的氣孔密封、問(wèn)題場(chǎng)密封這方面都有非常多的密封路線(xiàn)，這些密封路線(xiàn)在我整個(gè)電堆裝配起來(lái)之后，如果是一本書(shū)放在一起就很平，如果是一片東西都起來(lái)，它中間就很容易會(huì )存在一些偏差，這些偏差就會(huì )導致密封的失敗。
在這里面我們就通過(guò)快速檢測以及形態(tài)匹配，然后來(lái)實(shí)現膜電極和雙極板，它的高度分配的分組，通過(guò)它的分配來(lái)使得這幾百片在一個(gè)電堆里面上面的壓力分布，能夠達到一個(gè)比較均勻、比較理想的效果，然后來(lái)提升本身的一致性。
最后我們在裝配的過(guò)程，一方面是通過(guò)剛才所說(shuō)的第二點(diǎn)結構設計，另外一方面就是工藝設計，我們對它的電堆裝配過(guò)程進(jìn)行了一個(gè)設計，包括元件的工差對此進(jìn)行了一些分析，在我們裝配的時(shí)候設計了一面六感的定位方式，這個(gè)是極板，兩邊就是通過(guò)定位感在裝配的實(shí)施來(lái)實(shí)施定位，一方面是橫向定位，一個(gè)是縱向定位，其實(shí)就是說(shuō)我們現在這邊設計的端板，并不是說(shuō)看到哪邊結構強，我們這個(gè)端板設計的時(shí)候，也是充分考慮到了這個(gè)，因為中間是疊裝起來(lái)的，所以中間每一片膜電極怎么樣表面壓力分布，針對這個(gè)壓力分布來(lái)進(jìn)行一個(gè)里面的參數設計，同時(shí)來(lái)使得層間接觸力的衰減，來(lái)得到一個(gè)優(yōu)化。
這邊就是說(shuō)我們這邊還通過(guò)批量制造高效的柔性產(chǎn)線(xiàn)，來(lái)實(shí)現電堆本身密封性快速的測試，包括產(chǎn)線(xiàn)上的，包括上面一些尺寸的檢測，這些檢測一方面保證了我們零件的質(zhì)量，包括裝配的質(zhì)量，另外一方面這些技術(shù)使得測試的效率得到提升。
這個(gè)是我們這邊在裝配的時(shí)候，剛剛視頻里面看到一個(gè)自動(dòng)裝配的臺子，這個(gè)就是我們這邊針對自對裝配的臺子，進(jìn)行了一個(gè)仿真分析、設計模擬，包括移動(dòng)方案之類(lèi)的。通過(guò)這些運動(dòng)方案輕拿輕放，優(yōu)化了這個(gè)極板以及里面的一些核心單元，在裝配時(shí)候的一些動(dòng)態(tài)，使得舉放更加平穩，由此可以實(shí)現我們這個(gè)大功率電堆，大家可以看起來(lái)這個(gè)堆裝起來(lái)邊上都是一條直線(xiàn)，比剛才彎的要好一些。
我們這邊就通過(guò)很多方面的，包括我們從材料、結構、工藝包括這些動(dòng)態(tài)進(jìn)行一些仿真分析，包括一些優(yōu)化之類(lèi)的，來(lái)達到最終大功率電堆的堆心，大家看到我們電堆的時(shí)候都只有一個(gè)外殼，大家都不知道里面長(cháng)什么樣，大概就是這樣子，我們每一片疊在一起都是直的。
通過(guò)樣這種方式電堆一方面可以達到很大的功率，另外一方面因為很多里面的電池都是一片一片疊在一起，就需要有一個(gè)一致性，通過(guò)提高這個(gè)一致性我們來(lái)，因為電堆本身就是一個(gè)木桶原理，有一塊板子短了這塊容量就少了，所以我們把這個(gè)木桶做的很齊，就可以在盡可能的情況下來(lái)實(shí)現這個(gè)大功率。
接下來(lái)我們看一下這些產(chǎn)品，我們其實(shí)在2、3年前主要還是在燃料電池電堆這方面的，我們從電堆這邊入手，然后來(lái)逐步的做膜電結合催化劑，現在我們也是意識到行業(yè)的需求，行業(yè)的發(fā)展，現在光是有電堆是不夠的，像剛才各位專(zhuān)家所提到的氫能，其實(shí)也是需要有電解水的產(chǎn)品，所以我們這邊也是逐步來(lái)布局這個(gè)PEM電解槽的產(chǎn)業(yè)。
這個(gè)是我們目前的核心產(chǎn)品，我們之前最少的還是有到80甚至更小功率的電堆，我們目前主要的是針對這個(gè)乘用車(chē)一直到重型卡車(chē)開(kāi)發(fā)了100千瓦到300千瓦的系列化燃料電池電堆，其中150千瓦應該是在市場(chǎng)上面見(jiàn)的比較多的一個(gè)系列，大部分的重卡用到的系統也是用我們這個(gè)電堆用的比較多，這個(gè)300型是3000千瓦電堆，這個(gè)其實(shí)是最新一代的產(chǎn)品，因為它的功率密度到6.2，比原來(lái)的3.5還要再高一些，雖然它的功率300千瓦比起150千瓦要翻了倍，但是體積上并沒(méi)有比它大太多，大概就是大了一小圈。
我們這個(gè)電堆尤其是第二代的電堆，跟業(yè)內的標桿比起來(lái)，就是豐田二代的128千瓦，它的功率密度可以達到5.4千瓦每升，我們這個(gè)300千瓦的電堆峰值峰力可以達到300千瓦，除此以外我們的功率密度還是達到了6.2的水平。
當然我們的堆主要是用在車(chē)上面的，所以關(guān)于車(chē)用的一些要求，我們這邊還是能達到，比如說(shuō)低溫存儲、低溫啟動(dòng)，包括絕緣、防水、冷熱沖擊、振動(dòng)這些方面，我們都是經(jīng)過(guò)了嚴苛的優(yōu)化設計，包括實(shí)驗驗證的測試。
這個(gè)是我們燃料電池的一些應用，首先300千瓦電堆其實(shí)是目前全球最大的單體電堆，包括這個(gè)電堆交給我們的客戶(hù)，發(fā)布了250千瓦的系統，像這樣子我們的客戶(hù)也是用我們的電堆，也是用在各行各業(yè)，包括高原試驗、冬季標定試驗。
這個(gè)就是在高原這邊海拔5000多米的云南麗江進(jìn)行高原試驗，是我們客戶(hù)這邊用我們的堆做出來(lái)的整車(chē)試驗。這邊是在東北漠河進(jìn)行的高寒試驗，溫度到負42度，在這邊其實(shí)他們就是用我們的堆來(lái)做他們的車(chē)，做出來(lái)預計運行比較良好。
我們大功率電堆這個(gè)產(chǎn)業(yè)化應用還是有比較多的，首先在前年和去年的時(shí)候，我們這邊作為國內的金屬板電堆也是有各位友商的支持，我們也是拿到金屬板這邊出貨量第一。
用我們的堆做出來(lái)的系統也是蠻多的，包括100千瓦系統，包括132千瓦的系統，包括北京、上海、深圳很多同行、友商都是對我們有非常大的支持。
這個(gè)是我們目前統計過(guò)的，已經(jīng)上公告的車(chē)型目前大概有50余款商務(wù)公告的車(chē)型，累計交付被裝車(chē)的電堆大概是有2000余套，里面用到的話(huà)除了SUV以后，包括林崗那邊也是有公交車(chē)，當然用得最多的主要還是像49噸重卡、42噸重卡。
這個(gè)是在雄安新區100臺國內首個(gè)批量應用的重卡，當時(shí)也大批量的用到了我們的電堆。這個(gè)是國家示范城市群在上海這邊的一個(gè)；這個(gè)就是在上海這邊林崗新區在去加氫站的路上加氫的。也是林崗那邊，他們用的都是我們的電堆，深圳那邊也有。此外林崗這邊也還是有包括渣土車(chē)，剛才說(shuō)的是公交車(chē)，這邊的話(huà)渣土車(chē)，渣土車(chē)的話(huà)用我們的電堆還是比較合適的，因為我們電堆功率還是比較大的。
這個(gè)是在山西那邊有300多輛重卡里面有一部分是用到了我們的電堆，客戶(hù)給我們的反饋的話(huà)我們的電堆用得還是可以的。除此之外還有6噸氫能裝載機，這里還有全球最大噸位的氫能源礦卡，還有這個(gè)是港口區無(wú)人駕駛的HUV，這邊的話(huà)都是用到了氫能源實(shí)際應用的案例。
除了在路上跑的還有在軌道上面跑的，比如說(shuō)這輛汽車(chē)用的是燃料電池電堆，這個(gè)的話(huà)就是內蒙古包頭那邊，我們這邊的話(huà)有一個(gè)碳中和園區，目前規劃是在要在那邊做風(fēng)電光伏可再生能源，來(lái)做電解槽制氫，這個(gè)是海上風(fēng)電光伏應有的一些場(chǎng)景。
今天的報告就結束了，謝謝各位。
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