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易培云:大功率金属板电堆技术挑战与产业化

时间:  2020-10-16 13:56  来源:  汽车总站网   作者:   汽车总站网编辑部

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2020年10月15日,由济南市人民政府支持,中国电动汽车百人会、国际氢能委员会、山东省工业和信息化厅联合主办的氢能产业发展创新峰会将再次于在山东省济南市拉开序幕。上海氢晨新能源科技有限公司总经理易培云做主题演讲报告《大功率金属板电堆技术挑战与产业化》。 
易培云:大功率金属板电堆技术挑战与产业化
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!
 
本文根据速记整理,未经演讲者本人审核。
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