凌氫新能源王少華：燃料電池系統環境可靠性試驗研究
江蘇凌氫新能源科技有限公司技術總監王少華作主題演講
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。
江蘇凌氫新能源科技有限公司技術總監王少華作題為《燃料電池系統環境可靠性試驗研究》的主題演講。
以下是發言內容實錄，未經嘉賓審閱：
王少華：我今天分享的內容主要分三個部分：
第一我國燃料電池行業的發展狀況；
第二氫燃料電池可靠性研究中的幾個問題；
第三凌氫在環境可靠性測試領域研究的成果。
眾所周知，我們國家新能源汽車行業主要是有兩大方向，一個是電動化，還有一個是智能化。電動化實際上需要耗電耗能，而目前對于新能源行業我們國家向世界承諾的雙碳目標實際上是對這個行業的一大推動，根據我國目前的能源結構來說，不管是工業用電還是居民生活用電，主要用的都是網電，而網電實際上就是百分之六七十是燒煤炭，燒煤炭就會產生大量的二氧化碳。在座的都是理工科的，對于我們的燃料來說主要就是碳氫氧，要想降碳實現碳中和的目標，我們就可以通過增加氫的燃料的比例就可以，所以氫能源就成為了一大發展趨勢。
目前各國對新能源電池整個研發也可以看到，不管是國家大的投資也好，還是說一些企業的涌入，新興的企業或者是整個行業的一些投資熱潮，我們也可以看到氫能源實際上是大家比較熱衷的，也是后期很大的發展方向。
這個表是我列舉的近幾年，一些國際上對這個行業氫能源電池、燃料電池這個行業發展的時間節點還有主要的事件。具體涉及到我們國家，汽車這個行業已經開始形成了投資熱潮和研發熱潮，同時有大量的技術創新企業也紛紛涌現，示范運行也陸續啟動，國家整個產業政策還有技術標準也在日均完善。
從燃料電池汽車技術研發的流程來看，主要是從原理研究、材料研究、性能研究再到多場景的應用，然后在整個研發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品研發這一塊、性能研發是有很好的檢測測試的流程標準，同時作為我們的市場準入來說，我們可靠性的研究也是一定要做的，因為只有經歷了可靠性研究的產品，確定是沒問題了才可以裝車，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。
我們燃料電池這個行業發展，剛才也提到了對于可靠性研究是整個產業發展必然路徑，同時也是行業發展必然的需求。說到這里我可以舉一個例子，其實早在100多年前，已經有一種技術叫氫能飛行器，以前就有這樣的產品，但是他由于缺乏可靠性的研究，最終被終止了因為它研發出來以后，飛上天以后發生了爆炸，從此就覺得這項技術是不成熟的，實際上這完全是一個偶然事件，是一個突發事件，但是就是因為他沒有做可靠性的研究，整個世界放棄了這樣一個很先進的技術，導致目前我們現在再去發展氫能源，實際上已經被之前落后了一百年的時間，所以說可靠性的研究也是產業化發展必然需求。
同時各個企業尤其是近三五年間，燃料電池系統或者是燃料電池電堆研發型的企業，如雨后春筍一般噴涌而出，為了避免企業的同質化競爭，還有技術內卷化，所以我們可靠性這一塊也是對不同企業都是有要求的，這個也是競爭的基礎。
同時，只有經歷了可靠性的測試以后，才能被廣大的消費群體所接受，所以這個也是一個急需的一項研究。
講到可靠性研究，實際上是分了幾個方面，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，因為氫氣實際上是一種最小的原子，很容易發生泄露，所以對于氫能的電堆也好，整個系統管路也好，實際上是要求非常高的，所以說通過這樣一個泄露方面的研究，保證安全性。
第二熱學研究—全溫區。因為我們最終研發的系統也好、電堆也好，最終是要裝車的，要運行在整個全國范圍內或者是世界范圍內，有這樣一個運行的條件，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，我們都要滿足它，所以這個實際上也就是全溫區的概念，再就是電學研究全功率。因為我們知道燃料電池原理實際上是電化學反應，而對于電化學反應來說，正常的電功率效率是可以達到50%的效率，也就是說對于釋放1500千瓦的電系統來說，會在環境中有將近100千瓦大的散熱量，這個實際上就是它的功率是比較大的。
我們從無人機或者是電動車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功率的要求，剛才有個博士也分享了，功率我們越做越大，所以說這種情況下就需要我們做一個全功率的電學研究測試。
再就是全工況，這個不用說了，我們都比較好理解，因為車輛運行的工況是非常復雜的。講到氫安全，我們先分享這塊，氫安全實際上也是有兩個方面，一個是氫氣的安全，還有一個方面是電池特性的安全，因為我們傳統的發動機可能只有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，再加上這個電安全形成了一個完整的燃料電池系統的安全性，當然主要是有以下五個方面：
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。
這是整個我們安全方面需要研究的一個內容，這個是我們講做一些測試，安全方面的一些測試，首先要滿足一些被動服務的測試，什么是被動測試呢？就是說我們負責蓋章的檢測中心對這種OEM批量生產的零部件，我們要有一定的測試，這個實際上就是它的一些測試標準。
同時對于我們企業做研發來說，除了一些準入的標準或者是裝車的標準以外，還需要對我們自己研發的產品進行更加復雜的、更加適用性比較強的產品研發，所以實際上對于氫安全這一塊實際上需要做很多的工作。
我們常見的安全系統缺陷，主要是以下幾個方面，首先是缺乏涉氫安全、涉及理論體系的指導，這個實際上比如說我們對我們的產品，什么地方它容易發生泄露，哪個位置容易發生泄露，氫泄露了以后它會聚集在什么樣的空間范圍內，可以說這些實際上都是需要我們對理論進行一個研究以后，才能得出。
因為這些會涉及到氫安全的布置位置，我們氫排放它的布置位置，通過這些理論的研究，氫氣擴散理論的研究，指導我們實際的一個產品設計。然后就是未進行涉氫安全頂層設計，這個說的面就比較大了，因為我們講氫安全，從制氫、儲氫、運氫整個一個環節，它實際上都要有這樣一個頂層安全性的設計思想。
對于傳感器的一個種類，分布缺乏系統性的安排，這個就是剛才我講的，我們對于我們的一個系統來說，實際上有氫溫度傳感器，有溫濕度傳感器，包括有壓力傳感器，整個通過這樣一種傳感器的布局，然后通過我們的一個執行器的數字化的處理，我們更好的能實現我們的這樣一個安全系統。
再就是對故障信息缺少分析和處理能力，這個主要是因為這個行業本身發展的實現，相比于傳統發動機來說實現比較短，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題的分析和處理，我們實際上還是缺乏這方面的一個能力，當然我們也一直在發展，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動，剛才幾位博士都已經分享過了，對于我們氫燃料電池系統來說分了4個系統，一個是空氣供應系統，氫氣供應系統，熱管理系統，還有電子控制系統，這4個系統它是相互獨立，同時也是相互關聯的。
我們怎么去通過一個氫氣的泄露，會影響到哪些系統的運行，同時怎么去形成一個集聯動的方式，這個全溫區比較容易理解，因為氫燃料電池實際上和其它的幾個電池最大的區別，它有自己的特殊之處，也有它很多的優點：
第一，能量密度高，清潔指數高，安全性好，續航里程也比較長，這個是比較好的。同時加上涉及到一個冷啟動，相當于是不同類型的電池，它的溫區不一樣，這個全溫區對于整個全球范圍內溫度狀況是不一樣的，所以有一個溫區的實驗要求，它的意義主要是第一指導燃料電池系統開發，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，為冷啟動方案提供依據。
全功率剛才提到了，就是說我們從幾千瓦的一直到上千千瓦整個功率范圍內，實際上我們整個的是在不同的功率范圍時候，我們的系統它的實際輸出狀態，實際上是需要我們進一步研究的。
在這個全功率范圍內，實際上最大的一個就是散熱量的問題，同時還有熱濕控制和整個空間的流程合理性布局。全工況實際上就是對于車輛不同的運載工況，我們不同的時候有不同的工況要求，這就要求我們在測試的時候，第一快速響應，同時散熱量和濕熱控制、姿態模擬這樣一種工況的要求。
總結一下，主要有以下六個方面對于可靠性研究來說，有六個方面的問題需要我們去解決，需要我們去處理。
第一，缺少大功率氫的實驗倉。
第二，不能解決動態散熱的問題。
第三，倉內溫場、流場紊亂。
第四，氫安全問題困擾行業發展。
第五，無法實現姿態變載動態模擬。
第六，缺少多種工況的模擬能力。
應對以上主要的4個問題，我們凌氫在環境可靠性測試領域主要的一些研究成果：
第一個是開創了風動式燃料電池環境倉的先河，主要是以下四個方面，環境倉內實現風動式平均流場，增加了氫氣分離擴張段，實現了氫氣分離，通過可調試適量風口的設計，實現氣流準確供應。
第四個是分布式微流道的設計避免氫氣逐步聚集。第二個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動的方式實現的。
第三個研究成果就是開發了燃料電池冷啟動內循環系統，主要是模擬氫樣件在低溫環境下進行冷啟動實驗還有可靠性的測試。
第四個解決了系統加載動態響應的問題，主要是載冷系統蓄能技術還有冷熱動平衡控制技術。
第五個持續穩定的協同供應，再就是整倉以及低氣壓這樣一個氣壓模擬，由于時間我主要就是具體的技術就不展開，我們凌氫公司也是一直致力于測試行業的發展，公司雖然時間不長，我們也提出了很多非常有價值的技術迭代和更新，感謝各位，我的分享就這些，謝謝。
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