氢听剧场：易培云——《大功率金属板电堆技术挑战与产业化》

大功率金属板电堆技术挑战与产业化

Technical Challenges and Industrialization of

High-Power Metal Plate Fuel Cell Stacks

尊敬的各位专家，各位朋友：

下午好！非常荣幸在这里和大家分享。

我第一次来到佛山，以前都是在长三角活动，这次来佛山活动。我今天的报告题目是“大功率金属版电堆技术挑战与产业化”。我本身也是上海交大的教授，创办企业也是把我们15年的研究作为一个成果转化。所以今天这个报告我主要讲的是技术，因为我们觉得要把电堆做好，还是要突破关键技术，光是从一些数据上或者一些工艺上做这个事情意义不太大。所以我在这里汇报三方面：一是大功率电堆的机遇与挑战；二是我们要采用什么样的技术方法才能把这个事情做好，这是我们要重点回答的问题；三是上海氢晨的车规级150KW电堆，现在做到什么程度，给各位做一个汇报。

实际上大家都知道，大功率电堆比较受欢迎，尤其是130-150kw，因为它单堆就能够做到120-130kw，能够特别用于中远途和中重载长途卡车，这也是我们这次的示范重点。

实际上电堆技术路线有两大类，一个是金属板，前面讲了。这两类我个人认为都各有优势，各有优点，其实目前来讲也不存在谁替换谁的说法。对于金属板，我们是交大体系，做金属板2005年开始做起。自从我们交大把涂层解决后，我个人认为金属板还会迎来比较快的发展，主要是因为金属板的基材做得非常薄，可以做到0.075厘米，也就是75微米。一张纸是多厚？一张纸是100微米，我们金属板原材料可以做到比一张纸还薄，甚至现在随着材料技术突破，将来可以做到50微米，就是半张纸。加上0.4厘米或者0.3厘米流道，两个极板0.05厘米是0.1厘米，再加上0.3厘米的流道，基本上一块板可以做到0.75厘米到1.0厘米，整个极板我们目前做到1.0厘米，所以它的工艺密度是可以算出来的。

另外金属板还有一个好处是它的热容比较小，它的导热性比较好。金属板制造是因为跟造车的工艺是一样的。本身我们交大是做汽车的，汽车为什么能够大批量生产？就是因为汽车的车身是冲压焊接、涂装、装配，那么金属极板的电堆的制造方法其实跟造车是一模一样，所以这个工艺将来一定会大批量制造。我给大家举个例子，比如说我们2030年做到200万辆车，大家算一下要多少极板？要8亿个极板，如果做到1000万辆车要多少极板？所以这种发展路线它必须要大体量、可持续，这才是主流的技术路线。

目前国际上，比如丰田、本田、现代，在乘用车上是毫无疑问领先的，在商用车目前在逐渐应用，包括丰田、现代走的都是金属板路线。我们说两种路线是无所谓好坏之分，主要谁能够做到成本低、性能好、工艺领先，这才是最好的技术路线。

实际上一个电堆非常复杂，它主要是由双极板加膜电极经过层叠装配而成，双极板也非常复杂，它起到导水、导电、导气、导热的作用。在视频中，绿色是氧气，中间是氢气，里面发生了非常复杂的变化，实际上是一个非常复杂的多学科、多尺度的化学反应过程。我们经过多年的努力，认为这里面有三大技术难题：

第一个难题是怎么来设计电堆，尤其是要实现超薄的设计，这样才有可能把工艺做到功率密度3.0kW/L以上，实际上3.0kW/L工艺很难做的。在座的别看到我们现在做到他么高，丰田做了多少年才做到3.1kW/L，我们凭什么一下子做得那么高？这里面难度其实非常大的。

第二个要做到大功率，大功率为什么以前难做到100kW以上？主要是以前制造精度满足不了，包括流场设计的水平，所以要做到100kW以上。基本上要做到300片以上双极板均匀接触叠装，这不是简单的片数叠装，你叠的片数越多，要求你附件的精度越高，像我们现在比如要做300片以上，对极板的精度要求是极板翘曲度小于1毫米，极板的单个流道偏差小于10微米，否则你把它装上去一压以后，这个电堆马上就坏了。所以这里面不是片数叠装得越多你的功率越大，实际上是跟你的制造精度有关系的。

另外一个难题是寿命，现在寿命我们解决了，一万小时也有了，我个人觉得解决寿命问题主要是解决几个问题：一个是催化剂的问题，当然我不是做催化剂所以我没有发言权，我更多关注涂层和密封，涂层这块很好理解，但如果密封出现问题，那你这个设计就死了，后面我会再讲。所以要实现这么多的挑战，我个人觉得要靠两个手段，一个是要靠数字化手段，要有数字化的设计工具，第二个是要有智能制造的手段。

实际上在整个交大体系，包括上海体系，我们做电堆系统是遵循top down和bottom up相结合，什么叫top down？top down就是做电堆的人一定要懂整车、懂系统，我们不做系统，但我们要懂系统，否则的话你的输入就不对。因为没有任何一个药包治百病，也没有任何一个电堆能够适合所有的场景。如果一个供应商说我这个电堆适合所有的场景，适合从40-200kW，这肯定有问题。因为乘用车要求是要求动力响应很快，我踩一下油门马上就走，要求动力很快。而商用车司机是要赚钱的，我要求效率高，你可以慢一点没关系，我可以落后10分钟没有问题。所以要求不一样，系统要求不一样，对你的电堆要求一定不一样，对催化剂选择、对流场的设计、对涂层的选择一定不一样，这是top down。

第二个就是bottom up，你必须有很好的材料以及设计来支撑。我们交大的团队有人专门做催化剂、膜电极，做极板、做涂层、做密封等等。所以我们这个电堆，我个人觉得关键还是把核心设计好了，把关键材料、关键部件做好选择。

这里面关键技术我提炼一下，大概有三块应用：第一针对高密度的输出，我们要采用多学科——跨尺度的联合仿真技术。第二针对大功率输出，我们要有叠层装配界面匹配与容差分配技术。第三是要有长寿命涂层与高可靠密封技术。第四是我们形成智能化的装备。

第一，多学科——跨尺度联合仿真技术，这个图花了20个博士做这个图，我们交大有20个博士来做这个图，这个图的难点在哪里？目前讲没有任何一个软件能够从电堆模拟计算到极板、到膜电极、到催化剂，为什么？因为它的尺度跨度很大，一个电堆大概是在600厘米左右，一块极板在100-400毫米，一个流道是400-600个微米，到了膜电极大概是40-50微米，到了涂层，我们是讲纳米厚度，到了催化剂那就是更加精细化，所以跨度非常大，目前你只能分段计算。这就是跨尺度。第二是多学科，电堆要装配好，要设计它的尺度链，要分析它的力。中间这个我认为是比较难的，做流体分析，流体分析难在哪里？你一个电堆400节，你要保证第1节和第400节气体分布非常均匀。这是第一个难点。第二个难点你要把进口和出口压差满足你的需求，不是越低越好，是有一定的压差。第三个要保证温度均匀，要保证冷却均匀，这就是我们宏观的。到微观更难，你要保证不能过干，也不能过湿，不能积水，也不能让它汽化，这就在于你做多次的仿真流场计算，这个非常难。还有更难的是化学这部分，酸分子下面统计数据是多少？怎么腐蚀？这是非常难的问题，所以我们也开发了非常多的分子动力学和计算工具。在做涂层的时候导电好，但一测马上就掉了。或者有些做金刚石涂层，也是很硬，耐性也好，但是不导电。所以你要兼顾这两个东西，甚至你要拿到我们的极板去分析，分析出来这个元素，它的性能不一样，所以这里面一定是有非常多的科学论证。

所以第一个问题我们做了这些工作，包括微观的计算，微观的计算其实不难，这里面我们说要做大面积的复杂流程的仿真设计，这个怎么来做呢？首先你要把它分配均匀，要把它做好，保证一分二、一分三分得非常均匀。第二个你要保证整个流场上面的氧浓度，包括氢气的氢耗，保证消耗的时候还能做得比较均匀。第三个经过理论分析以后，我们就做新型的一种设计，这种流场的设计是二维的，但我们可以做两维的耦合接近三维的特性。

第二个就是刚才说的你怎么保证第1节和第400节分布均匀呢？这是非常重要的，否则你的电堆做得越大，这个不均匀性就越强，因为电堆是一个木桶理论，哪怕你399节很高，1节跌了就不行，所以是一个短板效应。所以我们在设计公用管道的时候，一定要考虑到它的分配均匀性。当然这个说说容易，但需要做很多的结构，要保证进腔，因为这个厚度很厚，一个在上面，一个在下面，保证它的气体要能够分配均匀，均匀分配是我们的难点。

还有就是刚才说的要针对不同的场景进行不同的工作点设计。你拿到相同的电堆你去跑乘用车也可以跑，但你效率低很多。你拿一个相同的电堆去跑商用车，那对不起，你的寿命可能就不大。所以我们要针对不同的应用场景来设定它的工作点、设定它的额定点，额定点控制以后，然后我们再来谈控制点，然后再谈功率，否则谈功率没有太大意义。

第二个关键技术就是层叠装配界面匹配与容差分配技术，这个是什么概念？电堆如果设置得不好，尽管你买了一块最先进的双极板，你买了一块国内性能不好的放在一块，他不会更好的。如果你装得不好，你把它压下去，那你探头就被压坏了，探头被压坏了有可能短时间内就失效。所以在这个里面，要有很多微观在里面的。另外我们说电-力怎么来耦合，包括密封，它都不一样。另外我们说这么多极板装在一块，你怎么保证它的安装水平？这就是容差怎么均匀分配。另外关于到涂层我们怎么来兼顾它的导电性和耐蚀性，这个需要根据我们材料本身的理论。另外我们还要通过一些纳米导电等等，采用这种廉价的技术来代替我们传统的涂层。另外在密封界面我们怎么样通过微观泄露机理来防止它的极板和密封圈泄露。另外我们还要研究它的装堆过程，尤其有外在的机密情况下面密封怎么能够不失效。最终我们做了一条智能生产线，我们所有的双极板全部有二维码，这二维码能够储存里面的高度偏差、翘曲度，能够储存它的厚度、偏差厚度所有的信息，在后台我们可以做一个数据孪生，数据孪生就是能够做数据匹配，我003号双极板和008号放在一块，那就是最好的匹配。

最后简单介绍一下上海氢晨的情况。上海氢晨我们主要是做电堆，目前坐落在临港自贸区，这个是我们自动化的产线，目前产能是2000台一年，预计2021年6月份产1万台。我们现在各个环节都已经完成了自动化的封装，这些设备所有的已经开发了。

这是我们目前的产品系列，还是比较全的，120kW到150kW，这不是我们拍脑袋的，我们通过足够的市场调研，比如说150kW是针对于重卡、船舶。那对于一个产品来讲它的竞争力主要是在于性能、寿命和成本，我们是怎么考虑呢？我们通过流场设计，包括环境设计，包括刚需的点，包括稳定性。

另外整个寿命，也不单单是跟涂层有关系，也不单跟计划有关系，跟流场设计有关系，跟你的操作团队有关系，包括我们做的涂层寿命体验，我们在装备方面实现了侧向梯度误差0.2mm，厚度方向误差0.5mm，这个目前国标是没有的，但我们对自己的要求是很高的，我们电堆已经达到了车规级的，60A/s的变载速率，以及所有的延误、防水防尘等等。另外，我们做电堆还有一个核心的思想是，我们要把困难留给自己，把快乐留给别人，所以它的成本相对比较小。这个是我们在临港自贸区做的一个产业园示范区，目前也有一些示范项目在做。

不好意思，耽误大家时间了，超时了，谢谢大家。