2021泰达汽车论坛 | 上海氢晨易培云：大功率金属板电堆技术挑战与产业化

2021年9月3日至5日，第十七届中国汽车产业发展国际论坛(TEDA)(以下简称TEDA汽车论坛)于2021年9月3日至5日在天津滨海新区举行，由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车报社联合主办，天津经济技术开发区管理委员会特别支持，日本汽车工业协会、德国汽车工业协会协办。本次论坛围绕“融合、创新、绿色”的年度主题，聚焦行业热点话题。9月5日08: 30 ~ 10: 00，在新示范政策指引下的燃料电池汽车产业化突破路径上，上海氢晨新能源科技有限公司总经理易培云发表了题为“大功率金属薄板堆的技术挑战与产业化”的主题演讲。

上海氢晨新能源科技有限公司总经理易培云以下为发言实录:各位领导、各位嘉宾，大家上午好，刚才易院士和王先生两位都是业内大咖。作为后来者，我更多的是从技术层面和大家分享。我的题目是大功率金属板堆的技术挑战和产业化。其实前面说了，氢能是一个大背景。学术界认为非化石能源是第四次革命，电反应堆类似蒸汽机，内燃机以石油为动力，燃料电池可以使用风光太阳能作为动力。目前业内提到“双碳”。其实二氧化碳排放峰值很容易碳中和，因为经济发展总量是上升的。我们估计，2030年将产生120至125亿吨碳排放，2030年130亿吨，2060年仅允许15亿吨。氢气是重要的碳税，49吨的重卡目前是1块钱的碳税，但是后来欧美也会加大对我们的要求，也就是说一辆重卡未来的碳税现在是40多万，这是一个很大的逻辑。燃料电池行业比锂电池更难。我们需要关注加氢站，制造、储存、运输、加工，还有光伏、风电，也需要解决电桩的问题。这个行业特别长。自从包括电堆在内的电堆系统的空气压缩机被打开后，就出现了复写纸等八大部件。近几年取得了一些进展，8个核心部件大部分实现了国产化。第二是技术挑战。这里面有很多困难。100千瓦级有400对双极板和膜电极串联堆叠，1500米长的密封线排列在800多个密封面上。有1600个加2800多个零件，特别是燃料电池是串联系统，对可靠性要求非常高，控制难度非常大。一个电桩长1500米左右，里面60平米的防腐房。总结一下，第一是单节面积达到750平方厘米，第二是堆叠产品数量130到400个，第三是效率，装配时间如何与发动机匹配几分钟。大功率电堆的设计需要多学科、跨尺度的联合仿真方法，这是电堆面临的最大挑战。试错成本很高，大部分都需要计算，但计算难度很大。双极板具有40微米的电导率和大约20纳米的涂层。目前没有一款软件可以从头到尾使用。另外是跨学科的东西，要做好装配尺寸公差和压力。这是一个机械固体力学的问题，需要使1段和400段的进出口压差均匀。这是流体力学的问题，电化学的知识比较多，交大几十个博士都在做。要实现产业化，我认为核心能耗浓缩为三个方面:第一高可靠性设计，第二高一致性组装，第三高效柔性生产线。冷杉……可靠的设计需要大面积的复杂流场设计，典型的多场耦合模型，其中一个双极板有80个流道，需要多场耦合模拟技术。通过一些可靠的设计，性能可以提高15%。第二是高度可靠的密封。我觉得比催化剂和涂层更重要。海豹突击队的失败是一场灾难。一旦密封失效，就是漏水，材料失效还能用。如果密封失效，那是不可预测的。微观失效机制有很多。包括力的设计，在装配过程中，压力是不一样的，特别是在震动和滑动的情况下，震动或者温度的变化都会产生不利的影响。还有就是公差，怎么保证这么多零件重合在一起，膜电极和电极板需要尺寸的概念，有了尺寸之后要分析尺寸的传递，分析尺寸的相互影响，最后做一个总高度的设计。另一个是偏离的描述。每个部分都有偏差，包括双极板和膜电极。目前氢气不能随便包装，需要筛选，在现有产能下可以提高质量。另外，在级联结果的过程中，定位误差分析是柔性部分，我们做了大量的空间矩阵，学术上称为刚柔耦合模型。我们提出了六杆面的变形补偿。如何实现冬夏振动冷热交替，保证压力的均匀性和碳的压缩性，将400节的偏差降低到20以下。第三是高效柔性制造。其实现在行业的产能几十万，我觉得是达不到的。做到10000台就够了，因为目前示范城市的需求量只有4000台左右，还可以大批量做，包括零件的快速检测和精准。此外，在抓取和放置的情况下，可以使用二维码识别和机器人识别，部分机器人码垛技术可以实现自动化生产，20分钟内可以实现一个电堆。最后介绍一下氢晨公司，2017年注册，2019年运营。我们吸引了一大批港区龙头企业，包括康明斯、甲子等企业。我们的制氢定位很明确:我们只做电反应器，我们的使命是和上下游合作，让燃料电池和发动机的体积成本和寿命最终相当，当然目前还比不上发动机。目前我们做的大功率电池都是80千瓦以上，从80千瓦到150千瓦不等。80千瓦电池可用于公交物流，120千瓦可用于通勤车和客车。比如去年一个电堆低温储存低温启动就能达到防水防尘的标准。电桩的研制难度很大，尤其是刚才提到的样机。放大原型也是未来的希望。特别是国内汽车厂的大功率系统已经批量应用，特别是在重卡、东风、福田、大运等企业，客车、环卫车以及一些SUV项目都在使用我们的电桩。最后介绍一下我们临港保税区的氢产业园。第一个加氢站已经投入使用，希望领导朋友们给临港指导。2021年9月3日至5日，第十七届中国汽车产业发展国际论坛(TEDA)(以下简称TEDA汽车论坛)于2021年9月3日至5日在天津滨海新区举行，由中国汽车技术研究中心有限公司、中国汽车工程学会、中国汽车工业协会、中国汽车报社联合主办，天津经济技术开发区管理委员会特别支持，日本汽车工业协会、德国汽车工业协会协办。本次论坛围绕“融合、创新、绿色”的年度主题，聚焦行业热点话题。9月5日08: 30 ~ 10: 00，在新示范政策指引下的燃料电池汽车产业化突破路径上，上海氢晨总经理易培云……w能源科技有限公司发表了题为“大功率金属板堆的技术挑战与产业化”的主题演讲。

上海氢晨新能源科技有限公司总经理易培云以下为发言实录:各位领导、各位嘉宾，大家上午好，刚才易院士和王先生两位都是业内大咖。作为后来者，我更多的是从技术层面和大家分享。我的题目是大功率金属板堆的技术挑战和产业化。其实前面说了，氢能是一个大背景。学术界认为非化石能源是第四次革命，电反应堆类似蒸汽机，内燃机以石油为动力，燃料电池可以使用风光太阳能作为动力。目前业内提到“双碳”。其实二氧化碳排放峰值很容易碳中和，因为经济发展总量是上升的。我们估计，2030年将产生120至125亿吨碳排放，2030年130亿吨，2060年仅允许15亿吨。氢气是重要的碳税，49吨的重卡目前是1块钱的碳税，但是后来欧美也会加大对我们的要求，也就是说一辆重卡未来的碳税现在是40多万，这是一个很大的逻辑。燃料电池行业比锂电池更难。我们需要关注加氢站，制造、储存、运输、加工，还有光伏、风电，也需要解决电桩的问题。这个行业特别长。自从包括电堆在内的电堆系统的空气压缩机被打开后，就出现了复写纸等八大部件。近几年取得了一些进展，8个核心部件大部分实现了国产化。第二是技术挑战。这里面有很多困难。100千瓦级有400对双极板和膜电极串联堆叠，1500米长的密封线排列在800多个密封面上。有1600个加2800多个零件，特别是燃料电池是串联系统，对可靠性要求非常高，控制难度非常大。一个电桩长1500米左右，里面60平米的防腐房。总结一下，第一是单节面积达到750平方厘米，第二是堆叠产品数量130到400个，第三是效率，装配时间如何与发动机匹配几分钟。大功率电堆的设计需要多学科、跨尺度的联合仿真方法，这是电堆面临的最大挑战。试错成本很高，大部分都需要计算，但计算难度很大。双极板具有40微米的电导率和大约20纳米的涂层。目前没有一款软件可以从头到尾使用。另外是跨学科的东西，要做好装配尺寸公差和压力。这是一个机械固体力学的问题，需要使1段和400段的进出口压差均匀。这是流体力学的问题，电化学的知识比较多，交大几十个博士都在做。要实现产业化，我认为核心能耗浓缩为三个方面:第一高可靠性设计，第二高一致性组装，第三高效柔性生产线。第一个可靠的设计需要大面积的复杂流场设计，典型的多场耦合模型，其中一个双极板有80个流道，需要多场耦合模拟技术。通过一些可靠的设计，性能可以提高15%。第二是高度可靠的密封。我觉得比催化剂和涂层更重要。海豹突击队的失败是一场灾难。一旦密封失效，就是漏水，材料失效还能用。如果密封失效，那是不可预测的。微观失效机制有很多。包括力的设计，在装配过程中，压力是不一样的，特别是在震动和滑动的情况下，震动或者温度的变化都会产生不利的影响。还有就是公差，怎么保证这么多零件重合在一起，膜电极和电极板需要尺寸的概念，有了尺寸之后，还要分析……尺寸的传递，分析尺寸的相互影响，最后做出总高设计。另一个是偏离的描述。每个部分都有偏差，包括双极板和膜电极。目前氢气不能随便包装，需要筛选，在现有产能下可以提高质量。另外，在级联结果的过程中，定位误差分析是柔性部分，我们做了大量的空间矩阵，学术上称为刚柔耦合模型。我们提出了六杆面的变形补偿。如何实现冬夏振动冷热交替，保证压力的均匀性和碳的压缩性，将400节的偏差降低到20以下。第三是高效柔性制造。其实现在行业的产能几十万，我觉得是达不到的。做到10000台就够了，因为目前示范城市的需求量只有4000台左右，还可以大批量做，包括零件的快速检测和精准。此外，在抓取和放置的情况下，可以使用二维码识别和机器人识别，部分机器人码垛技术可以实现自动化生产，20分钟内可以实现一个电堆。最后介绍一下氢晨公司，2017年注册，2019年运营。我们吸引了一大批港区龙头企业，包括康明斯、甲子等企业。我们的制氢定位很明确:我们只做电反应器，我们的使命是和上下游合作，让燃料电池和发动机的体积成本和寿命最终相当，当然目前还比不上发动机。目前我们做的大功率电池都是80千瓦以上，从80千瓦到150千瓦不等。80千瓦电池可用于公交物流，120千瓦可用于通勤车和客车。比如去年一个电堆低温储存低温启动就能达到防水防尘的标准。电桩的研制难度很大，尤其是刚才提到的样机。放大原型也是未来的希望。特别是国内汽车厂的大功率系统已经批量应用，特别是在重卡、东风、福田、大运等企业，客车、环卫车以及一些SUV项目都在使用我们的电桩。最后介绍一下我们临港保税区的氢产业园。第一个加氢站已经投入使用，希望领导朋友们给临港指导。

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