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HIDIS 2020 |易培云:上海氢晨主做核心电堆,明年产量1万台

2020/10/15 20:46:55

2020年10月15日,2020 氢能产业发展创新峰会在山东省济南市召开。本次峰会由中国电动汽车百人会、Hydrogen Council(国际氢能委员会)和山东省工业和信息化厅主办,以“引领氢能示范应用·推进黄河流域高质量发展”为主题,主要围绕“氢能应用场景与商业化路径”、“关键技术、标准与安全”和“面向未来的氢能供应体系”等三个方面进行深入探讨。 在本次峰会中,上海氢晨新能源科技有限公司总经理易培云发表了题为《大功率金属板电堆技术挑战与产业化》的精彩演讲。

 电堆.JPG

上海氢晨新能源科技有限公司总经理易培云

其主要观点如下:

1、 上海氢晨的第一条生产线在上海临港自贸区,目前产线是2千台,我们希望明年做到1万台,后年做到2万台。

2、 实际上电堆主要有两大趋势:一大是石墨双极板,另外一个是金属双极板,这两个方面各有自己的优势,也各有自己的应用场景,金属板电极在技术上做了突破之后优势比较明显。如果按照规划2030年200万辆车的话,中国就需要8亿片的双极板,如果双极板制造问题不解决,将来会成为它的瓶颈。

以下内容为现场演讲实录:

刚才卢总从上汽包括从燃料电池做了一个非常透彻的分析, 我从技术方面,讲一下大功率金属板电堆产业化,我本身是上海交大教授,我更多地从技术层面讲。

我讲的三个方面,第一是大功率电堆的历史机遇。第二大功率电堆的技术挑战到底在什么地方?第三上海氢晨做的初步的探索。

通过这一次补贴政策的出台,也非常的明确,重点就是支持中远途,包括公交车、物流车、重卡车,这个政策也做了一个研读,从功率等级做了145千瓦他拿的补贴比较高,这里面有一个算法。

实际上现在电堆主要有两大趋势。一大是石墨双极板,另外一个是金属双极板,这两个方面各有自己的优势,也各有自己的应用场景,从我们上海交大之后从重压、焊接、涂装、装配。实际上金属板电极在技术上做了突破的之后这个优势比较明显。如果按照规划2030年200万辆车的话,中国就需要8亿片的双极板,如果双极板制造不解决这个问题,将来会成为它的瓶颈。所以我们认为这条路线比较适合商用化,因为是采用造车的工艺来做。

现在国际主流的造车用金属双极板也开始推,包括丰田、尼古拉走的都是金属双极板的角度。刚才卢总也从比较高的角度讲了,怎么样来实现高精度的装配最后实现低成本的制造?这里面有原理图里面非常的复杂,那么它里面而且是一个串联系统,任何一个部件做不好就会影响他的性能,我们说膜做不好,密封做不好都会产生很大影响。所以这里面是一个多学科多尺度的问题。

所以刚刚卢总也讲过这个设计思路,实际上这个路面电堆因为电堆是一个核心的部件,就是它人体的心脏。心脏好不好,首先整个人体能不能理解透,就像中医一样,为什么它能治病,就是因为他对人很了解。我们车其实每个车的场景是不一样的商用车矿产车都不一样,就在于电堆好不好,就在于你对于这个场景理解的透不透彻。

你理解了之后,怎么样才能达到这也是我的核心技术,从材料、部件、到电堆设计,要能满足设计要求,我们说的催化剂。碳纸、膜、密封包括图层,所以这是电堆开发深层次的逻辑,电堆的开发并不是买一块电极板卖一个膜这个肯定不行这个能发电,但是稳不稳定可不可靠这个就跟电堆非常关系。

这里面的设计里面,在这个图里面,我们学校里面有20多个博士在里面,就是做一个多学科跨区域的仿真,一块大半在100×400毫米,到一个图层200纳米所以这个尺度跨的非常大,目前来讲,全世界没有一个软件把数据输入进去,电极就出来,这是不可能,必须要进行分段设计这是一个跨尺度问题。

另外它是一个多学科问题,因为它涉及到机械包括之工程热力学,化学、材料学等等,因为你要把电堆设计的装配可靠,你要设计短板这属于固体力学设计东西。你要把进口和出口温度差控的很均匀,需要大量的流体的仿真,更难的是化学里面是电解和腐蚀的过程,你的材料是什么样的一个腐蚀过程肉眼看不见,所以我们要做大量的分子动力学。举一个简单的例子,我们要做涂层,你把这个打出来也不管事,比如说组合起来,有些组合又不耐湿又不导电,所以我个人认为作为交大的多学科的交叉,重点在于设计手段。在我们公司里面我们目前固化出来的设计的流程,仿真到了这个点就可以往下一步走。

实际上具体到流场设计,因为分解完之后,我就知道你的流场进出口温差是多少,这些分解完之后可以做大量的计算,通过仿真的计算,进口流出怎么分配,怎么分到80-100个流道这是第一个。

第二个在长度方向上面,怎么保证进出和出口,包括传制排水和排热都比较均匀,最终可以设计出一种新型的wavy  cross流场,通过强制的传输能够实现三维流场的性能,这是我们将来降本的重要路径。

下面是电堆有400个电堆板还有800个密封圈,你怎么保证分配军队,这里面涉及到空气、还有冷却水,一不小心就导致不平均,通过这样的一种仿真模型,能够把它均匀的分配解决掉。

很多人在问我,能不能做到?能不能做到200千瓦、300千瓦,也可以做,只是现在没有必要再做,再做的话,你的装压泵都会出现问题。在18吨到32吨这种场景一个电堆就够了,40吨重卡要做到200千瓦的系统基本上用两个电堆,30吨以下一个电堆一套系统就够了。

另外,没有一个电堆适合所有的场景,对于乘用车要求的动力性,但是对于商业用车更重要的是效率,我们要省钱,哪怕100公里能够省一块钱也是一个好事,因为对于运输行业利润非常薄基本上在5%以下,所以每个场景车是不一样,电极设计不一样,工作点选择就不一样这是我们设计逻辑。

另外我为什么单独把密封拿出来,因为材料是一个逐步的衰减过程,图层衰减是可以看到的,密封的衰减甚至就可以漏气、漏水,这种整个电堆就失效,所以电堆的高可靠的密封非常难,中间是一个串联系统,这就导致可靠性要求非常高。所以我们要设计这个密封,首先要理解它的基层泄露到底是什么,到底是密封圈本身的泄露,还是和极板之间的粗糙度的问题,这里面我们要做大量的计算。

就是说在这么多装配过程中误差是不可避免的,我们密封圈的误差,在我们汽车制造领域是不可避免的,怎么样控制误差,怎么样设计这个误差?

举一个例子,就是我们的车不能让车造到最后,车窗和车门装不上,就是在设计上把容差设计到这里面去,通过通过每个零部件,不能硬要往里面压,包括密封采用什么样的结构,采用的方型、T型、圆形的还是O型的都不一样,包括在装配出现误差的时候,包括对可靠性的影响这个重点也要去考虑。

另外在这么多零件装在一起的时候,怎么样设计容差,在汽车领域叫“容差分配”,这个“容差分配”设计好,才能平衡,这个电堆是非常的平,片和片之间的是正负0.1,总共装到400片是0.5以内,这通过机械制造来控制。

另外,最终我们走上一个大批量制造,除了批量还得要智能,这个我们倒不是要去蹭人点,这个里面有很多智能制造的生产线这个逻辑就是,所有的零部件都有误差,所有的成本都有不同。所以我们在每一块的双极板都有二维码这个定位孔的偏差是多少,这边的膜电极碳纸的偏差是多少,密封圈的厚度是多少,这个后台可以做一个数据孪生和数据计算比如说003电极板和008电极板放在一起很好,这是智能制造的底层逻,这是一个智能制造核心逻辑在这里面,中国移动也给我们提供了技术的支持。

接下来我们介绍一下上海氢晨是上海交大10-15的核心技术,我们氢晨主要是核心电堆,我们也不会再往上做动力系统,我们主要是把电堆做好。我们经常说的话,铁路机车各守一段,每个人把这一段做到最精最产业,这样的话,这个产业才能提升。所以我们定义在核心的电堆,那这个是我们临港自贸区做的第一条生产线,目前产线是2千台,我们希望明年做到1万台,后年做到2万台。

这是我们目前的产品系列,针对轻型卡车、冷链车、还有通勤车做了相应的电堆。电堆的我介绍一下这个里面的设计逻辑就是有竞争力第一要好性能、第二要长寿命,第三个低成本,这个说很容易做到非常难。所以通过高性能通过几方面?

第一首先你的设计要好,性能好了之后,你用的材料少了,成本也降低。

第二是配套。不是最好的膜电极和双极板配在一起匹配很重要。

第三是寿命很重要,有人问你这个电堆板,你的传热怎么样,材料的衰减只是他一部分,还有更多的密封失效也是一个,这里面高精度的制作也有关系。如果制造的精度的不好的话,我们膜电极涂层也不好,这个放在一起就开裂。

接下来通过WAVY  CROSS的设计,现在的振动,包括IP可以做到IP68,还有高稳定性和高可靠性。片和片可以做到正负0.1,在额定的点可以6.5个毫伏,充电电点压偏差8.5MV,电池最怕出现偏差,一致性非常重要。另外从整个寿命来讲,短时间内我们电堆150千瓦是可以长时间运行,我们可以稳定在一个小时以上。另外说的长寿命有几大要素,第一个流场设计比较好,不能出现逐步的过气过干过湿,这个电极可以达到1.6度。所以这个设计非常重要,你绝对不能出现某个地方积水、嵌气这是第一个。

第二个连接之间非常的均匀,否则的话会出现木头理论和短板效应。

第三还要通过一些材料、图层、密封材料的老化等等。

另外两个最重要的,就是膜电极包括涂层。

另外就是刚刚说的寿命跟制造精度非常有关系,左边的这个图就是实现自动化的去调配,我们通过自动的激光装完之后,每个装满400之后,到底有没有装歪,后台会传到系统里面去,如果已经出现偏差的话,就不能装。目前我们这个电堆跟捷氢还有差距,包括所有的防水、防尘等也有做了。

第一把性能做高了,成本就下降了这是第一个逻辑。

第二要做到集成度一体化端板集成了集流板,绝缘板和端板,减少了部件,成本降幅可达56.92%。

对进气雅量,进气量、增湿等要求的降低,可以适配更多BOP辅件,从而带来系统成本降低约30%,我设计一个电堆用户来集成是不是很难,反过来讲,用户舒服了成本就会降低。目前这个电堆可以实现全国产零件的集成。

这个是我们在上海临港做了一个自贸区,我们在这里了一个示范园区,最后感谢大家,也非常抽空到上海临港去指导,讲的不到之处请领导批评指正。

谢谢大家!

(注:本文根据现场速记整理,未经演讲嘉宾审阅)

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