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【原创】从100kW回到80kW 上海氢晨以退为进背后的氢电阳谋!
电堆 文章来源自:高工氢电网
2019-10-08 13:21:34 阅读:18322
摘要从样堆到量产型电堆要经历哪些过程?上海氢晨的做法值得思考!

在氢燃料电池汽车市场需求尚未真正启动,国家补贴迟迟没有发布的背景下,盲目追求电堆的高功率密度真的能解决燃料电池商业化进程的瓶颈吗?上海氢晨新能源科技有限公司(下称“上海氢晨”)总经理易培云博士对上述问题有不一样的思考。  

“数据做得最好看不一定适合当下的真实需求,中国燃料电池发展还是要从实际出发,不能唯数据论。”易培云在接受高工氢电专访时表示,当下很多媒体和业内人士都在关注燃料电池电堆功率密度的提升,却忽视了怎样的电堆才最适合当下的产业发展需要。  

作为一家专注于高密度燃料电池电堆研发与制造的企业,上海氢晨核心团队与核心技术源自上海交通大学,经过近10年的持续研发,已开发三款具有自主知识产权的燃料电池电堆。其103kW金属板电堆经专业机构检测,体积功率密度为3.3kW/L,达到行业先进水平。  

对于易培云博士和由他掌舵的上海氢晨来说,公司已经走过了追求单堆功率和功率密度大小的历史阶段,如何站在用户需求的角度,规模化生产批次稳定、品质可靠的电堆产品才是全公司最关注的问题。

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(上海氢晨专为60kW系统开发的量产型H280C电堆产品,额定功率80kW)  

在近日举行的第四届国际氢能与燃料电池汽车大会上,上海氢晨着重推介了其额定功率为80kW的H280C型电堆产品。从100kW回到80kW,上海氢晨策略转变的背后也在一定程度上代表着国产电堆系统厂商,在跨越试样阶段走向量产阶段时的关键抉择。  

那么,从样堆到量产型电堆又要经历哪些过程?电堆制造自动化是否会产能过剩?围绕这些问题,高工氢电编辑对上海氢晨总经理易培云博士进行了独家专访,以下是专访实录,供读者参考。 

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(上海氢晨总经理易培云博士)  

高工氢电:上海氢晨最大优势在大功率金属板电堆研发与制造。公司的H2100A型电堆峰值功率超过100kW,并在国内多家整车及系统厂商得到应用。此次发布额定功率为80kW的H280C是基于什么样的考虑?目标市场如何?  

易培云:H2100A主要是针对全功率的乘用车市场,H2100A型电堆和H280C型电堆的设计初衷和理念是完全不同的,相对应的,对电堆内部核心的两个零部件:双极板和膜电极设计和材料选型也是完全不同的。H280C额定功率为80kW的电堆属于第二代产品,组成系统后,额定功率大于60kW。这款产品定位是专门针对商用车开发的,具有更高的效率。  

H280C电堆功率降低到80kW,不仅仅意味着系统开发商和整车开发商可以选用相对更为成熟的部件进行系统匹配和优化,配合更为灵活的动力系统能量管理方案,有望提升燃料电池商用车的综合效率和耐久性。相较于目前市面上很多电堆供应商直接拿针对乘用车设计的电堆移植到商用车上的做法,H280C这款电堆是完全针对商用车量身定制的,因此其在商用车工况下的综合效率、适用的电流电压等级、额定工作点的稳定性及耐久性都有大幅的提升。  

此外,在电堆的关键零部件,双极板和膜电极方面,都针对商用车更长的使用寿命(>15000小时耐久)和相对稳定的工作条件,更窄的工作范围(0.68V-0.85V)以及更为缓慢的变载条件(<15kW/s)的工况特点,优化了金属双极板的镀层材料,膜电极的催化剂材料以及电堆整体的水热管理。从材料到部件到电堆整体都能更好的适应商用车长耐久、低成本、高效率的技术要求。这款产品已经通过全套的DV试验包括冲击、振动,高低温,EMC等实验验证,包括寿命实验验证,目前已经有相关意向订单,明年目标是出货1000台。  

从研发100kW回到量产80kW电堆,主要是站在客户的角度来考虑,我们认为,现阶段,与追求更高的额定功率电堆相比,在保证性能足够的情况下,综合提升系统效率,提高燃料电池寿命,降低成本更贴近市场的需求,也跟符合客户的实际需要。  

高工氢电:目前国内的电堆企业也很多,上海氢晨有什么核心技术能确保电堆的大功率和高功率密度?  

易培云:我觉得在讨论功率密度大小之前,先要明白一个事情,这个电堆做好后是用在什么车型上,在怎样的场景中使用?是注重效率还是注重加速性能?是注重寿命还是成本?基于不同的出发点,最终成型的产品也会有所不同。因此,没有一款电堆可以通用所有的应用场景,氢晨的优势在于具备跨学科的联合仿真能力,从产品设计、制造再到检测,对不同的环节进行把控,主要涉及几大核心技术:  

首先,是电堆设计的“多学科-跨尺度”联合仿真技术。由于电堆涉及多学科,比如机械工程、固体力学、工程热物理、流体力学、电化学、分子动力学等,同时跨越了宏观尺度、介观尺度、微观尺度和纳观尺度等,上海氢晨共有十余名博士长期从事电堆“多学科-跨尺度”的仿真计算,这是电堆设计与开发的理论基础;  

第二,是电堆层叠式装配界面匹配技术。最好的双极板板加最好的膜电极,组装的电堆不一定具有最好的性能。通过多年对极板与膜电极组件间的微观接触行为的研究,上海氢晨开发了电堆微观界面接触模型、电-力耦合模型与密封失效模型,通过多目标优化实现金属极板与膜电极的有效匹配;  

第三,电堆装配的容差分配技术。任何部件(双极板、膜电极、密封圈、端板)都存在加工误差。我们通过建立电堆层叠式装配模型,分析部件制造误差、装配误差、定位误差对接触压力影响规律,主动对电堆部件进行容差分配设计。目前,上海氢晨可以将整堆侧边装配误差控制在0.2mm以内。  

第四,电堆智能检测与快速诊断技术。引入智能传感器等实时监测电堆装配和使用过程的接触压力均匀性、电流密度分布均匀性等状态;开发大功率电堆气体流量分布测试系统,诊断电堆密封状态;采集电堆使用过程的温度、湿度信息,实现电堆全寿命周期健康状态监测;  

最后,高密度电堆智能制造技术。这方面主要通过自动化的生产设备来减少误差,提升产品的一致性。目前,上海氢晨联合开发的电堆自动化装配平台可以将装配时间缩短到20-40分钟,最终目标是开发全自动的智能制造生产线,生产节拍3分钟/台电堆。  

高工氢电:开发样堆与批量化生产难度截然不同,请问上海氢晨为此做了哪些准备?  

易培云:样堆和批量生产的电堆是两种截然不同的产品,像这次展会上发布的H280C就是一款量产的产品,量产的电堆更加注重用户的体验,你需要关心的是客户能否把你的电堆用好,就算你的功率密度达到4.0kW/L,如果对系统辅件要求非常高,依然不是一款理想电堆,会导致系统成本上升、系统可靠性下降。  

其次,批量生产的电堆一定要考虑产品的一致性、可靠性和电堆寿命,这也跟电堆产品的质量和品控息息相关。做好这些之后,还需要经过较长时间的检测和验证,最好还需要考虑到成本,生产工艺和材料匹配方面降低成本,氢晨推出H280C主要就是考虑到这些因素。  

高工氢电:据了解,上海氢晨已经使用了单台自动化装备进行电堆组装,正在布局电堆智能制造生产线。但目前市场容量小,电堆制造自动化是否会产能过剩?  

易培云:氢晨瞄准的是一个更长远的市场。我们判断,2021年中国氢燃料电池汽车市场会有一个比较大的增量,这样判断的依据在于当下众多推广燃料电池汽车的区域正在加紧推进加氢站建设,这个建设周期需要一年多的时间,如果加上配备运营的车辆,则需要2年左右的时间。目前氢晨规划建设一条全自动化的电堆生产线,这个生产线的产能可以达到1万台每年。当然,现在远远没有这样的市场需求,我们这样布局的目的在于2年后能够为市场提供批次稳定的可靠产品。所以说,产能过剩只是针对当下需求较少的一个说法,当市场起量之后,并不会发生这种情况。  

高工氢电:预计公司产品何时进入工信部公告,何时投放市场运营?  

易培云:氢晨目前有几款产品正在配合主机厂装机上公告,其中H280C这款产品主要在适配公交、巴士;另一款H2100D在适配重卡,这两款电堆产品都有望在明年3月上公告,从现在的进度来看,明年3月,氢晨有望在公交、巴士和重卡这三款车型上公告。  

高工氢电:上海氢晨的产品规划及市场拓展计划是怎样的?  

易培云:从市场角度来说,目前燃料电池的市场化尚未成熟,这个阶段是谁有资源,谁就能上,目前氢晨也在谋划跟一些企业合作在推动燃料电池汽车的区域化运营,从上海临港的自贸区,到嘉兴、宁波,氢晨都在设计其中的一些应用场景,我希望这部分的推广能做成3个三角形,其一是上海嘉定、金山和临港的三角;其二是苏州、张家港、如皋;其三是临港自贸区、宁波、嘉兴,形成三个三角的示范运营区,目前这几个地方都在谈,这三个三角的区域恰好适合物流货运,覆盖在200多公里的范围内,能发挥氢燃料电池物流车优势。  

从产品的角度来说,目前氢晨已经布局了3条线,一条是小型的电堆,H150A,这款产品适合插电混合和增程式,电堆的额定功率在45kW到50kW,成系统后在30kW,当然这类车型还会适配一部分动力电池;第二款H280C比较适合商用车,如公交和巴士、物流车,需要用到的锂电池较少,几度电的电池就可以;第三款H2100系列则主要是针对重卡领域;这三款产品的应用场景侧重点有所不同,未来还会推出功率密度更高的H3系列产品,投入到乘用车领域应用。  

高工氢电:上海氢晨整个经营运转情况如何?是否有融资计划?  

易培云:上海氢晨目前已经完成了第一轮的融资,目前公司的整体运用情况还比较正常,公司也获得了上海市科委、临港自贸区和临港集团的项目支持,目前在考虑Pre-A轮融资,融资的目的在于提升产能和扩大规模,会优先考虑能提供优质资源和项目的投资方。  

高工氢电:您认为今年补贴政策为何迟迟未出?对此,您有哪些建议?  

易培云:个人认为,政策制定方面目前可能尚未想好补贴优先放在哪个环节,是补贴整车制造商还是补贴运营商,或者补贴相关零部件;其次,补贴的门槛放在什么位置同样很关键;最后,补贴整车迟迟没出台,也是希望氢燃料电池汽车的推广不能重蹈当年纯电动汽车的覆辙,避免出现为了补贴一拥而上的局面。  

我的建议是,氢燃料电池领域的补贴还是要从技术的角度出发,设定一定门槛,不要给浑水摸鱼的人钻政策空子的机会,避免行业发展初期的那些没有技术和积累的公司蜂拥而入,造成产能过剩。只要在产业链条中,主机厂、燃料电池系统、关键零部件等不同环节有3到5家头部企业成长起来了,形成紧密配合,整个行业就会步入一个良性发展的轨道。  

高工氢电:目前国内石墨板电堆应用偏多,对于金属板电堆的下游应用,国内看法不一,您怎么看?  

易培云:石墨双极板燃料电池的兴起是基于历史原因,金属双极板则是后面才兴起的,目前业界的共识是未来乘用车使用金属双极板电堆优势非常明显。至于商用车方面则存在一定争议,一方面,由于石墨板电堆已经装车运营,有超过2万小时以上的运营验证,所以石墨板电堆的呼声现阶段比较高,金属板则由于在寿命上没有足够的验证而受到质疑。目前,国内已有金属极板企业突破了涂层的技术和产能瓶颈,满足商用车的使用要求。  

长远来看,未来氢燃料电池汽车进入大批量状态时,金属双极板会更有优势,因为金属双极板更符合汽车行业自动化生产的要求,冲压、焊接、装配等工艺对金属板来说更容易实现,也更容易降低整体的生产制造成本。因此,我们很看好金属双极板电堆未来的市场,而且会坚定的走金属双极板燃料电池路线。  

感谢高工氢电的采访!燃料电池汽车产业链非常长,衷心地希望产业链上各个企业站好自己的岗位、掌握自己的核心技术,这样才能打通整个产业链环节,形成良好的产业生态。切忌大而全、大干快上,行稳才能致远!

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