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燃料电池干货专访:氢璞详细解读不同材料体系电堆开发心路

2019-08-29 14:57:36 浏览量:794


前言:燃料电池堆作为燃料电池汽车的核心动力输出,受制于质子交换膜、催化剂和双极板表面处理等关键材料和制备工艺的发展。目前,燃料电池堆的国产化进程迎来快速发展。【大咖访谈】栏目第三期邀请了氢璞创能董事长欧阳洵,听他讲述氢璞创能如何做到国内首次实现对石墨、复合和金属双极板燃料电池堆的全覆盖布局。

正文:

记者欧阳博士,很高兴您能接受『燃料电池干货』的邀请,首先请您介绍一下氢璞创能的技术团队情况和主营业务?

欧阳博士:北京氢璞创能科技有限公司成立于2010年,聚焦燃料电池电堆的研发、生产和销售,形成了产品性能、工艺实现、关键材料及生产成本多维度的领先,是国内为数不多的拥有核心技术自主知识产权及产业化技术的燃料电池电堆厂家,也是国内首个自主知识产权电堆自动化生产线的缔造者。氢璞创能拥有一支国际化核心技术团队,在电堆设计、工艺及关键材料都具备极强的自主研发能力,拥有近60项燃料电池电堆及生产线发明专利。公司已建立了氢燃料电池、自动化产线设计及材料领域复合型人才体系。团队有80余人,包括博士4名,硕士十余人,本科60余人,初始团队90%在职。氢璞创能核心团队具备极强的自主研发能力,可持续提高产品竞争力及研制新产品。

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氢璞创能100kW金属板电堆

记者:欧阳博士,查看氢璞创能官网发现,目前氢璞创能的核心产品是燃料电池堆的研发和生产。请您给『燃料电池干货』读者科普一下燃料电池堆开发的具体流程?

欧阳博士我们在开发一款电堆的时候,首先要收集市场需求,完成市场需求书。这部分由市场人员主导、技术人员配合,与多个下游客户充分沟通获得重要的市场需求,这个过程往往会有几个反复才完成。市场需求书确认以后,我们会起草产品功能规格需求书。这个等于把市场语言翻译成了技术设计语言,主要包括电堆需要满足的设计标准、功率、电流、电压、寿命、物理尺寸、物理及电气接口等,作为产品设计的顶层文档。

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氢璞创能10kW石墨板电堆

在这之后我们会根据现有的极板、催化剂及质子膜等材料体系性能及工艺来确定电堆的电压电流曲线,进而确定单电池的电流电压曲线以及单电池的活性面积。而后主要分了极板、端板和整堆封装三个部分来进行电堆的设计开发。

—首先,进行极板和密封设计。极板设计一般包括流场设计,即阳极流场、阴极流场、冷却流场,以及极板的冷却面及工作面密封设计。极板流场设计主要考虑气液板内及板间分布、压降、工艺可实现性等因素;密封设计主要考虑密封性要求、工艺可实现性和应力等因素。

—其次,开展电堆的端板及整堆封装设计。端板一般包括尾板、绝缘板和电极,端板设计一般需要考虑应力分布、抗振性、冷热冲击耐受性、绝缘、安装需求等,并尽量做到体积小重量轻。

—最后,整堆封装设计。整堆封装设计主要保证整堆应力分布、寿命阶段内的振动和冷热冲击耐受性、工艺实现成本等因素。

以上每个部分基本规划完成以后,都需要进行独立的计算和模拟仿真,主要是CFD(流体力学)和FEA(有限元素)分析。仿真设计满足基本标准后需要制作样堆进行测试验证,样堆一般也包括单片、短堆和整堆三个部分的验证,验证一般包括气体分布测试、应力分布验证、性能、加速老化、可靠性、振动、冷热冲击、冷启动等。

以上三个部分设计-仿真-验证工作也会反复几次,以达到电堆设计基本定型。当以上设计开发工作接近1/3时,我们会完成电堆的工艺路线图,包括极板的成型工艺,密封工艺、叠堆和封装工艺等,之后分别展开不同工艺方法的公差、验证,以配合电堆的设计开发工作。

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氢璞创能46kW复合板电堆

当技术开发和工艺开发工作完成后,我们会进行电堆的小批量试制,验证电堆的生产一致性和成品率,并提供样堆给客户进行系统和道路验证,收集客户反馈意见和道路数据,并进行产品设计的最后调整。最后电堆设计就基本完成,可以进入批量生产。

记者欧阳博士,目前国内燃料电池堆企业大多选择单一材质的双极板电堆进行研发和生产,比如持续对不锈钢材质的双极板电堆进行研发迭代。据网络资料显示,氢璞创能起步于石墨双极板,目前已经实现了石墨、金属和复合双极板燃料电池堆的全覆盖生产。氢璞创能基于什么样的技术和市场决策覆盖对上述三种类别双极板电堆进行研发和生产呢?

欧阳博士氢璞创能在早期的时候,是用石墨材料来开发电堆极板的。石墨材料主要是靠机加工形成流场和密封槽。这种方式比较适合于电堆的研发开发阶段,因为无需开模,测试验证成本比较低。但是在进行大批量生产的时候,机加工成型工艺成本就十分高了,不适合大批量使用。产品开发后期到批量生产时,需要开模来实现极板的生产。氢璞创能自己开发了适合大批量的生产的碳基复合材料以及复合板成型工艺,成本应该是行业最低的,成型特性也达到了国际一流水平,这也确保了氢璞创能电堆的高性价比。

碳复合板电堆主要应用在商用车和一些电力领域,特点就是寿命长,适合于长时间使用的领域,比如说重卡、长途客车、公交车,电站等。而金属板电堆主要的应用方向是乘用车,当然可能也包括一些对功率密度要求更高的一些应用,例如军用。金属板的特点,主要是质量功率密度和体积功率密度非常高,尤其是质量功率密度,能够满足乘用车对空间和重量的要求,以及启动变载速度的要求。但是,金属板电堆在应对长寿命应用要求的验证还不是十分的充分。大量的数据证明金属板电堆还是比较适合在五六千小时的寿命需求应用的。所以,为了满足市场上对商用车,电站以及乘用车的不同需求,氢璞创能先后开发出了复合板电堆和金属板电堆。而机加工石墨板,只是在碳复合板电堆开发前期,作为设计验证使用的,批量生产时期就不再采用了。

记者欧阳博士,纵观全球燃料电池市场,国外主要以丰田、本田和现代汽车公司为代表,开发以乘用车为代表的高功率密度和高耐久性的金属双极板电堆,国内目前主要以商用车为代表。燃料电池堆使用环境不同,对电堆本身开发要求也不一样。氢璞创能未来燃料电池堆的主要开发方向是什么?

欧阳博士:目前到2022年,我们主要是满足商用车市场对燃料电池电堆的需求。在商用车这个领域,用碳复合板电堆可以全部覆盖。目前市场上较多的10吨以下物流车、公交车、到未来的重卡以及长途客车都可以满足。我们的目标是到2021年,希望最晚到2022年能够在电堆的这个角度具备摆脱补贴的市场竞争力。而金属板电堆主要是针对乘车的,现在我们也在和几家乘车厂家合作开发基于氢璞创能高功率密度金属板电堆乘用车。预计到2021年会有一定的小批量试运营,2022年应该可以正式实现商业销售。

氢璞创能希望持续在电堆这个领域实现技术和产品上的深扎。基本上我们是从设计技术到工艺技术,然后到材料技术,逐渐增加技术纵深,不管是碳复合板电堆还是金属板电堆,我们都是这个理念。不同的材料体系以及他们所面对的应用,其实就决定了相应的技术要求,比如说电堆的耐久性,可靠性,低温的启动特性等等。

记者:欧阳博士,丰田Mirai燃料电池汽车全球首次取消了加湿器,实现自增湿性能。国内,也有一些有关自增湿电堆的国家重点研发计划项目和部分企业报道。您觉得,燃料电池堆自增湿会不会牺牲掉部分输出性能?自增湿是未来燃料电池开发的一个重点方向吗?

欧阳博士:丰田的Mirai这款燃料电池汽车去掉了阴极加湿器。但是我们也都看到,本田和现代,他们最新款的燃料电池汽车里面都是带有阴极加湿器的。美国能源部也是同样的设计理念,我们了解一些欧美系的车企的燃料电池系统也都是带有阴极加湿器的。从技术的角度,阴极带有加湿器能够有更广泛的环境适应性,而且系统效率更高。所以从氢璞创能的角度看,我们认为可以降低加湿,但是完全去掉加湿器,从系统的效率和成本平衡上,不一定是最好的解决方案。

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丰田Mirai自增湿原理示意

目前国际上主流的系统解决方案实际上阴极是带有一个加湿器的,而在阳极则一般是采用引射器的方式来替换阳极循环泵。当然,不同的系统厂家会有一些不同的设计理念和需求,从电堆的角度,我们是会根据系统厂家的需求,来确定我们的材料体系和电堆设计理念。所以正向开发十分重要,往往都是在电堆设计的初期就跟系统厂家和整车厂深度合作,这样才能更好的完成一款整车产品的定型开发并具备良好的市场竞争力。

记者欧阳博士,氢璞创能除了燃料电池堆产品外,将来燃料电池相关产业上下游有没有布局?公司未来3年或5年的发展方向是什么?

欧阳博士:氢璞创能未来5年都会专注在电堆这个领域。我们的观点应该是打造一个燃料电池上下游健康的生态链。这是我们的一个核心理念。氢璞创能希望在上下游有更多的优质合作伙伴,能够发动不同的人才、资源和资本来把燃料电池整个行业做得更好,我们也认为这是中国工业未来具备国际竞争力的正确路线。这点和氢璞创能的企业使命是吻合的,即打造高品质燃料电池,服务上下游产业链。

记者欧阳博士,【大咖访谈】栏目最后都会问嘉宾一个问题。如果让您给中国燃料电池行业提一个建议,您会提什么建议?

欧阳博士:对行业的建议的话,就是要专注,稳扎稳打,把技术做扎实,能够更加坦诚的去面对自己、面对技术和面对行业现状,找到真实的市场机会,每次只做好一款良心产品。市场最终还是会给有所准备,真正有实力的选手。我们希望有越来越多的同行以这样的这种理念去做事业,钻研技术,做精产品,协同共赢。

欧阳博士,很高兴您能接受『燃料电池干货』的采访。祝愿氢璞创能成为中国燃料电池电堆企业走向世界的代表。谢谢。