凌氫新能源王少華：燃料電池系統環(huán)境可靠性試驗研究
江蘇凌氫新能源科技有限公司技術(shù)總監王少華作主題演講
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。
江蘇凌氫新能源科技有限公司技術(shù)總監王少華作題為《燃料電池系統環(huán)境可靠性試驗研究》的主題演講。
以下是發(fā)言?xún)热輰?shí)錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
王少華：我今天分享的內容主要分三個(gè)部分：
第一我國燃料電池行業(yè)的發(fā)展狀況；
第二氫燃料電池可靠性研究中的幾個(gè)問(wèn)題；
第三凌氫在環(huán)境可靠性測試領(lǐng)域研究的成果。
眾所周知，我們國家新能源汽車(chē)行業(yè)主要是有兩大方向，一個(gè)是電動(dòng)化，還有一個(gè)是智能化。電動(dòng)化實(shí)際上需要耗電耗能，而目前對于新能源行業(yè)我們國家向世界承諾的雙碳目標實(shí)際上是對這個(gè)行業(yè)的一大推動(dòng)，根據我國目前的能源結構來(lái)說(shuō)，不管是工業(yè)用電還是居民生活用電，主要用的都是網(wǎng)電，而網(wǎng)電實(shí)際上就是百分之六七十是燒煤炭，燒煤炭就會(huì )產(chǎn)生大量的二氧化碳。在座的都是理工科的，對于我們的燃料來(lái)說(shuō)主要就是碳氫氧，要想降碳實(shí)現碳中和的目標，我們就可以通過(guò)增加氫的燃料的比例就可以，所以氫能源就成為了一大發(fā)展趨勢。
目前各國對新能源電池整個(gè)研發(fā)也可以看到，不管是國家大的投資也好，還是說(shuō)一些企業(yè)的涌入，新興的企業(yè)或者是整個(gè)行業(yè)的一些投資熱潮，我們也可以看到氫能源實(shí)際上是大家比較熱衷的，也是后期很大的發(fā)展方向。
這個(gè)表是我列舉的近幾年，一些國際上對這個(gè)行業(yè)氫能源電池、燃料電池這個(gè)行業(yè)發(fā)展的時(shí)間節點(diǎn)還有主要的事件。具體涉及到我們國家，汽車(chē)這個(gè)行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始形成了投資熱潮和研發(fā)熱潮，同時(shí)有大量的技術(shù)創(chuàng )新企業(yè)也紛紛涌現，示范運行也陸續啟動(dòng)，國家整個(gè)產(chǎn)業(yè)政策還有技術(shù)標準也在日均完善。
從燃料電池汽車(chē)技術(shù)研發(fā)的流程來(lái)看，主要是從原理研究、材料研究、性能研究再到多場(chǎng)景的應用，然后在整個(gè)研發(fā)鏈條中可靠性研究是非常必要的。
首先可靠性研究第一是能夠對于我們的產(chǎn)品研發(fā)這一塊、性能研發(fā)是有很好的檢測測試的流程標準，同時(shí)作為我們的市場(chǎng)準入來(lái)說(shuō)，我們可靠性的研究也是一定要做的，因為只有經(jīng)歷了可靠性研究的產(chǎn)品，確定是沒(méi)問(wèn)題了才可以裝車(chē)，大范圍的推廣應用，所以我們可靠性的研究也是必須要去做的工作。
我們燃料電池這個(gè)行業(yè)發(fā)展，剛才也提到了對于可靠性研究是整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然路徑，同時(shí)也是行業(yè)發(fā)展必然的需求。說(shuō)到這里我可以舉一個(gè)例子，其實(shí)早在100多年前，已經(jīng)有一種技術(shù)叫氫能飛行器，以前就有這樣的產(chǎn)品，但是他由于缺乏可靠性的研究，最終被終止了因為它研發(fā)出來(lái)以后，飛上天以后發(fā)生了爆炸，從此就覺(jué)得這項技術(shù)是不成熟的，實(shí)際上這完全是一個(gè)偶然事件，是一個(gè)突發(fā)事件，但是就是因為他沒(méi)有做可靠性的研究，整個(gè)世界放棄了這樣一個(gè)很先進(jìn)的技術(shù)，導致目前我們現在再去發(fā)展氫能源，實(shí)際上已經(jīng)被之前落后了一百年的時(shí)間，所以說(shuō)可靠性的研究也是產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必然需求。
同時(shí)各個(gè)企業(yè)尤其是近三五年間，燃料電池系統或者是燃料電池電堆研發(fā)型的企業(yè)，如雨后春筍一般噴涌而出，為了避免企業(yè)的同質(zhì)化競爭，還有技術(shù)內卷化，所以我們可靠性這一塊也是對不同企業(yè)都是有要求的，這個(gè)也是競爭的基礎。
同時(shí)，只有經(jīng)歷了可靠性的測試以后，才能被廣大的消費群體所接受，所以這個(gè)也是一個(gè)急需的一項研究。
講到可靠性研究，實(shí)際上是分了幾個(gè)方面，首先第一是氫安全泄露方面的研究，因為氫氣是不同于其他的氣體的，因為氫氣實(shí)際上是一種最小的原子，很容易發(fā)生泄露，所以對于氫能的電堆也好，整個(gè)系統管路也好，實(shí)際上是要求非常高的，所以說(shuō)通過(guò)這樣一個(gè)泄露方面的研究，保證安全性。
第二熱學(xué)研究—全溫區。因為我們最終研發(fā)的系統也好、電堆也好，最終是要裝車(chē)的，要運行在整個(gè)全國范圍內或者是世界范圍內，有這樣一個(gè)運行的條件，所以剛才戴老師也分享了，他要有高溫、高寒、高濕、高原所有的條件，我們都要滿(mǎn)足它，所以這個(gè)實(shí)際上也就是全溫區的概念，再就是電學(xué)研究全功率。因為我們知道燃料電池原理實(shí)際上是電化學(xué)反應，而對于電化學(xué)反應來(lái)說(shuō)，正常的電功率效率是可以達到50%的效率，也就是說(shuō)對于釋放1500千瓦的電系統來(lái)說(shuō)，會(huì )在環(huán)境中有將近100千瓦大的散熱量，這個(gè)實(shí)際上就是它的功率是比較大的。
我們從無(wú)人機或者是電動(dòng)車(chē)非常小的幾千瓦的系統，然后一直到我們的貨輪，目前可能是比較大的，有400、500千瓦甚至上千千瓦整個(gè)功率的要求，剛才有個(gè)博士也分享了，功率我們越做越大，所以說(shuō)這種情況下就需要我們做一個(gè)全功率的電學(xué)研究測試。
再就是全工況，這個(gè)不用說(shuō)了，我們都比較好理解，因為車(chē)輛運行的工況是非常復雜的。講到氫安全，我們先分享這塊，氫安全實(shí)際上也是有兩個(gè)方面，一個(gè)是氫氣的安全，還有一個(gè)方面是電池特性的安全，因為我們傳統的發(fā)動(dòng)機可能只有24伏的供電，但是對于燃料電池可能從400伏、500伏、600伏這樣一個(gè)區間里，所以它的電安全也非常的重要。
剛才講了氫安全，再加上這個(gè)電安全形成了一個(gè)完整的燃料電池系統的安全性，當然主要是有以下五個(gè)方面：
第一，材料安全防護。
第二，元器件安全防護。
第三，氫系統安全防護。
第四，溫度監控防護。
第五，碰撞安全防護。
這是整個(gè)我們安全方面需要研究的一個(gè)內容，這個(gè)是我們講做一些測試，安全方面的一些測試，首先要滿(mǎn)足一些被動(dòng)服務(wù)的測試，什么是被動(dòng)測試呢？就是說(shuō)我們負責蓋章的檢測中心對這種OEM批量生產(chǎn)的零部件，我們要有一定的測試，這個(gè)實(shí)際上就是它的一些測試標準。
同時(shí)對于我們企業(yè)做研發(fā)來(lái)說(shuō)，除了一些準入的標準或者是裝車(chē)的標準以外，還需要對我們自己研發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行更加復雜的、更加適用性比較強的產(chǎn)品研發(fā)，所以實(shí)際上對于氫安全這一塊實(shí)際上需要做很多的工作。
我們常見(jiàn)的安全系統缺陷，主要是以下幾個(gè)方面，首先是缺乏涉氫安全、涉及理論體系的指導，這個(gè)實(shí)際上比如說(shuō)我們對我們的產(chǎn)品，什么地方它容易發(fā)生泄露，哪個(gè)位置容易發(fā)生泄露，氫泄露了以后它會(huì )聚集在什么樣的空間范圍內，可以說(shuō)這些實(shí)際上都是需要我們對理論進(jìn)行一個(gè)研究以后，才能得出。
因為這些會(huì )涉及到氫安全的布置位置，我們氫排放它的布置位置，通過(guò)這些理論的研究，氫氣擴散理論的研究，指導我們實(shí)際的一個(gè)產(chǎn)品設計。然后就是未進(jìn)行涉氫安全頂層設計，這個(gè)說(shuō)的面就比較大了，因為我們講氫安全，從制氫、儲氫、運氫整個(gè)一個(gè)環(huán)節，它實(shí)際上都要有這樣一個(gè)頂層安全性的設計思想。
對于傳感器的一個(gè)種類(lèi)，分布缺乏系統性的安排，這個(gè)就是剛才我講的，我們對于我們的一個(gè)系統來(lái)說(shuō)，實(shí)際上有氫溫度傳感器，有溫濕度傳感器，包括有壓力傳感器，整個(gè)通過(guò)這樣一種傳感器的布局，然后通過(guò)我們的一個(gè)執行器的數字化的處理，我們更好的能實(shí)現我們的這樣一個(gè)安全系統。
再就是對故障信息缺少分析和處理能力，這個(gè)主要是因為這個(gè)行業(yè)本身發(fā)展的實(shí)現，相比于傳統發(fā)動(dòng)機來(lái)說(shuō)實(shí)現比較短，所以我們這方面不管是知識的缺乏，還是人才的缺乏，包括常規遇到的一些問(wèn)題的分析和處理，我們實(shí)際上還是缺乏這方面的一個(gè)能力，當然我們也一直在發(fā)展，這方面也一直在補這塊的東西。
再就是對系統應急響應不能形成聯(lián)動(dòng)，剛才幾位博士都已經(jīng)分享過(guò)了，對于我們氫燃料電池系統來(lái)說(shuō)分了4個(gè)系統，一個(gè)是空氣供應系統，氫氣供應系統，熱管理系統，還有電子控制系統，這4個(gè)系統它是相互獨立，同時(shí)也是相互關(guān)聯(lián)的。
我們怎么去通過(guò)一個(gè)氫氣的泄露，會(huì )影響到哪些系統的運行，同時(shí)怎么去形成一個(gè)集聯(lián)動(dòng)的方式，這個(gè)全溫區比較容易理解，因為氫燃料電池實(shí)際上和其它的幾個(gè)電池最大的區別，它有自己的特殊之處，也有它很多的優(yōu)點(diǎn)：
第一，能量密度高，清潔指數高，安全性好，續航里程也比較長(cháng)，這個(gè)是比較好的。同時(shí)加上涉及到一個(gè)冷啟動(dòng)，相當于是不同類(lèi)型的電池，它的溫區不一樣，這個(gè)全溫區對于整個(gè)全球范圍內溫度狀況是不一樣的，所以有一個(gè)溫區的實(shí)驗要求，它的意義主要是第一指導燃料電池系統開(kāi)發(fā)，第二是尋求燃料電池電堆合理的內外溫度運行，然后減少熱失衡故障，提升燃料電池系統安全性，為冷啟動(dòng)方案提供依據。
全功率剛才提到了，就是說(shuō)我們從幾千瓦的一直到上千千瓦整個(gè)功率范圍內，實(shí)際上我們整個(gè)的是在不同的功率范圍時(shí)候，我們的系統它的實(shí)際輸出狀態(tài)，實(shí)際上是需要我們進(jìn)一步研究的。
在這個(gè)全功率范圍內，實(shí)際上最大的一個(gè)就是散熱量的問(wèn)題，同時(shí)還有熱濕控制和整個(gè)空間的流程合理性布局。全工況實(shí)際上就是對于車(chē)輛不同的運載工況，我們不同的時(shí)候有不同的工況要求，這就要求我們在測試的時(shí)候，第一快速響應，同時(shí)散熱量和濕熱控制、姿態(tài)模擬這樣一種工況的要求。
總結一下，主要有以下六個(gè)方面對于可靠性研究來(lái)說(shuō)，有六個(gè)方面的問(wèn)題需要我們去解決，需要我們去處理。
第一，缺少大功率氫的實(shí)驗倉。
第二，不能解決動(dòng)態(tài)散熱的問(wèn)題。
第三，倉內溫場(chǎng)、流場(chǎng)紊亂。
第四，氫安全問(wèn)題困擾行業(yè)發(fā)展。
第五，無(wú)法實(shí)現姿態(tài)變載動(dòng)態(tài)模擬。
第六，缺少多種工況的模擬能力。
應對以上主要的4個(gè)問(wèn)題，我們凌氫在環(huán)境可靠性測試領(lǐng)域主要的一些研究成果：
第一個(gè)是開(kāi)創(chuàng )了風(fēng)動(dòng)式燃料電池環(huán)境倉的先河，主要是以下四個(gè)方面，環(huán)境倉內實(shí)現風(fēng)動(dòng)式平均流場(chǎng)，增加了氫氣分離擴張段，實(shí)現了氫氣分離，通過(guò)可調試適量風(fēng)口的設計，實(shí)現氣流準確供應。
第四個(gè)是分布式微流道的設計避免氫氣逐步聚集。第二個(gè)成果是氫安全體系化整體安全解決方案，第一是安全舉證再加上四級聯(lián)動(dòng)的方式實(shí)現的。
第三個(gè)研究成果就是開(kāi)發(fā)了燃料電池冷啟動(dòng)內循環(huán)系統，主要是模擬氫樣件在低溫環(huán)境下進(jìn)行冷啟動(dòng)實(shí)驗還有可靠性的測試。
第四個(gè)解決了系統加載動(dòng)態(tài)響應的問(wèn)題，主要是載冷系統蓄能技術(shù)還有冷熱動(dòng)平衡控制技術(shù)。
第五個(gè)持續穩定的協(xié)同供應，再就是整倉以及低氣壓這樣一個(gè)氣壓模擬，由于時(shí)間我主要就是具體的技術(shù)就不展開(kāi)，我們凌氫公司也是一直致力于測試行業(yè)的發(fā)展，公司雖然時(shí)間不長(cháng)，我們也提出了很多非常有價(jià)值的技術(shù)迭代和更新，感謝各位，我的分享就這些，謝謝。
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