氫晨新能源麥建明：超大功率電堆技術及進展
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，由中國電池工業協會、電池中國網聯合主辦的“2023氫能與燃料電池技術及應用國際峰會”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《超大功率電堆技術及進展》的主題演講。
以下是發言內容實錄，未經嘉賓審閱：
麥建明：今天的報告內容主要分成三個部分：第一個是想講技術方面，第二部分是從產品方面，第三個部分在產品應用。
要做大功率的電堆其實還是有三個方面技術需要考慮的，功率大就是千瓦，千瓦乘以電壓，電流的話就需要很大的單位截面積過很大的電流，第二個的話，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，所以就是說我們要實現大功率，一方面要大電流，一方面也要高電壓，所以我們這邊的話就需要有一個很高的疊片數。以前的話可能幾十片十幾片，現在我們要在交流領域用的話，要上百千瓦，我們整個電堆就需要有一個很高的疊裝數，比如說我們這邊要130-400節，我們之前150千瓦電堆就是400節的單元。
第三個我們這么大的堆要用到公共交通領域，那么多車的應用，我們就需要有一個很高的生產節拍，它和發動機不一樣，發動機可能就是一個鋼鐵里面幾個活塞裝起來，但是里面的話是幾百節這樣的膜電極、燃料電池單體疊加在一起的，所以裝配的時間、裝配的質量形成了生產效率的瓶頸，所以我們現在工程就是這三個：大面積、疊裝片數多，裝備時間多，我們形成技術條件的話，對密封有一個難題。
第二個就是說像電堆，如果不注意的話可以看到電堆疊起來是彎的待會兒可以看到我們裝起來是什么樣的效果。第三個就是我們怎么提高效率，這邊就是我們自主開發的設備。
我們這邊的話核心技術主要是有四個方面，第一個就是從材料方面進行多材料體系高通量計算方式，第二個的話是高功率電堆，高可靠設計方法，第三個層疊結構高一致，疊裝技術，第四個是批量制造，高效率產線。
首先第一個從材料方面，材料的話我們基于材料性能第一性原理來進行計算，一個方面從材料的原值尺度進行建模，再用電子的數據理論來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。
第三個包括表面原子動態吸附過程精準仿真，這個主要用在電堆是金屬極板的話有腐蝕，所以我們這邊要做表面的防腐。這方面表面原子動態吸附過程，其實就是表面保護層承接工藝的仿真工作。
第二個材料的制備與介質傳輸分子動力學，我們是通過納米復合材料建模，模擬金屬極板表面的導電以及防腐整個結構。
然后離子傳輸通道是動力學模擬，還有一個納米微控傳輸，這個是膜電極里面質子傳輸過程的模擬。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。
第一個包括通過二元、四元的分離模板，通過不同的沉積工藝來一次性、大批量的做不同的材料，最終形成一個表面防腐層，然后再進行高通量材料表征，然后來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方面，第一個極板它是一個把燃料電池里面的燃料和空氣分布下來，提高它的分布質量以及提高反應的效率，我們設置了包括第一個是從流體進入流場的時候，有一個導槽復合式的分流，還有一個全物理場的3D燃料電池分析模型，我們是進行了建模設計。
最后通過這個流道設計分析，來提升它的包括強化二次增強排水，來實現這個性能的提升。燃料電池因為里面一方面是氫氣和空氣電化學反應，但是我們只需要它是一個電化學反應，而不是直接讓它燒起來，爆炸一下，所以在這里面氫氣是作為一個很容易泄露的介質，我們就需要考慮它的微觀泄露模型，考慮它的密封性能安全問題。
一方面我們建立了微觀泄露模型，還有密封裝配過程的仿真設計，從材料方面以及它的結構方面來提升它的整個密封以及安全性。電堆剛才也說過了它是一個大功率的電堆，需要有很多的膜電極、雙極板包括電池單元結合起來的，這些結合起來并不是說用個膠水粘起來就可以了，我們是通過這個疊片安裝，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、問題場密封這方面都有非常多的密封路線，這些密封路線在我整個電堆裝配起來之后，如果是一本書放在一起就很平，如果是一片東西都起來，它中間就很容易會存在一些偏差，這些偏差就會導致密封的失敗。
在這里面我們就通過快速檢測以及形態匹配，然后來實現膜電極和雙極板，它的高度分配的分組，通過它的分配來使得這幾百片在一個電堆里面上面的壓力分布，能夠達到一個比較均勻、比較理想的效果，然后來提升本身的一致性。
最后我們在裝配的過程，一方面是通過剛才所說的第二點結構設計，另外一方面就是工藝設計，我們對它的電堆裝配過程進行了一個設計，包括元件的工差對此進行了一些分析，在我們裝配的時候設計了一面六感的定位方式，這個是極板，兩邊就是通過定位感在裝配的實施來實施定位，一方面是橫向定位，一個是縱向定位，其實就是說我們現在這邊設計的端板，并不是說看到哪邊結構強，我們這個端板設計的時候，也是充分考慮到了這個，因為中間是疊裝起來的，所以中間每一片膜電極怎么樣表面壓力分布，針對這個壓力分布來進行一個里面的參數設計，同時來使得層間接觸力的衰減，來得到一個優化。
這邊就是說我們這邊還通過批量制造高效的柔性產線，來實現電堆本身密封性快速的測試，包括產線上的，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量，包括裝配的質量，另外一方面這些技術使得測試的效率得到提升。
這個是我們這邊在裝配的時候，剛剛視頻里面看到一個自動裝配的臺子，這個就是我們這邊針對自對裝配的臺子，進行了一個仿真分析、設計模擬，包括移動方案之類的。通過這些運動方案輕拿輕放，優化了這個極板以及里面的一些核心單元，在裝配時候的一些動態，使得舉放更加平穩，由此可以實現我們這個大功率電堆，大家可以看起來這個堆裝起來邊上都是一條直線，比剛才彎的要好一些。
我們這邊就通過很多方面的，包括我們從材料、結構、工藝包括這些動態進行一些仿真分析，包括一些優化之類的，來達到最終大功率電堆的堆心，大家看到我們電堆的時候都只有一個外殼，大家都不知道里面長什么樣，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，就需要有一個一致性，通過提高這個一致性我們來，因為電堆本身就是一個木桶原理，有一塊板子短了這塊容量就少了，所以我們把這個木桶做的很齊，就可以在盡可能的情況下來實現這個大功率。
接下來我們看一下這些產品，我們其實在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，然后來逐步的做膜電結合催化劑，現在我們也是意識到行業的需求，行業的發展，現在光是有電堆是不夠的，像剛才各位專家所提到的氫能，其實也是需要有電解水的產品，所以我們這邊也是逐步來布局這個PEM電解槽的產業。
這個是我們目前的核心產品，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乘用車一直到重型卡車開發了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上面見的比較多的一個系列，大部分的重卡用到的系統也是用我們這個電堆用的比較多，這個300型是3000千瓦電堆，這個其實是最新一代的產品，因為它的功率密度到6.2，比原來的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，但是體積上并沒有比它大太多，大概就是大了一小圈。
我們這個電堆尤其是第二代的電堆，跟業內的標桿比起來，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上面的，所以關于車用的一些要求，我們這邊還是能達到，比如說低溫存儲、低溫啟動，包括絕緣、防水、冷熱沖擊、振動這些方面，我們都是經過了嚴苛的優化設計，包括實驗驗證的測試。
這個是我們燃料電池的一些應用，首先300千瓦電堆其實是目前全球最大的單體電堆，包括這個電堆交給我們的客戶，發布了250千瓦的系統，像這樣子我們的客戶也是用我們的電堆，也是用在各行各業，包括高原試驗、冬季標定試驗。
這個就是在高原這邊海拔5000多米的云南麗江進行高原試驗，是我們客戶這邊用我們的堆做出來的整車試驗。這邊是在東北漠河進行的高寒試驗，溫度到負42度，在這邊其實他們就是用我們的堆來做他們的車，做出來預計運行比較良好。
我們大功率電堆這個產業化應用還是有比較多的，首先在前年和去年的時候，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。
這個是我們目前統計過的，已經上公告的車型目前大概有50余款商務公告的車型，累計交付被裝車的電堆大概是有2000余套，里面用到的話除了SUV以后，包括林崗那邊也是有公交車，當然用得最多的主要還是像49噸重卡、42噸重卡。
這個是在雄安新區100臺國內首個批量應用的重卡，當時也大批量的用到了我們的電堆。這個是國家示范城市群在上海這邊的一個；這個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，剛才說的是公交車，這邊的話渣土車，渣土車的話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，客戶給我們的反饋的話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，還有這個是港口區無人駕駛的HUV，這邊的話都是用到了氫能源實際應用的案例。
除了在路上跑的還有在軌道上面跑的，比如說這輛汽車用的是燃料電池電堆，這個的話就是內蒙古包頭那邊，我們這邊的話有一個碳中和園區，目前規劃是在要在那邊做風電光伏可再生能源，來做電解槽制氫，這個是海上風電光伏應有的一些場景。
今天的報告就結束了，謝謝各位。
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