刘锋——大功率金属板电堆开发及展望

刘锋

电堆开发部总监

佛山市清极能源科技有限公司

谢谢齐博士的介绍，各位专家、各位同仁，早上好！

接下来我介绍的是大功率金属板电堆开发的进展与展望，我这边主要还是围绕佛山清极电堆的开发和进展做一个介绍。

这是我们第一次在这么大的平台上介绍电堆内部开发的一个情况，所以我起了一个副标题，叫“一见清心，众星环极”“众星环极”是因为我们做电堆开发是要各个专业领域的同事一起共同开发，另外我们也进入到了产业化阶段，是需要各个环节上的供应商一起共同成长。

这是我们电堆裸堆的一个照片（见PPT图），接下来我开始正式的介绍。

我们佛山清极坚持的是正向开发金属双极板电堆的一个路线，核心技术是超薄金属双极板的流场设计。在去年的时候我们发布了自己第一款HO100金属双极板模块，HO寓意就是燃料的氢氧，另外也是取得于“Harmonious”（和谐）意思，电堆的性能、成本、寿命、易制造各个方面协调发展。

我们现在的单堆，去年的时候我们HO系列最大的单堆是测到100千瓦，我们最近测到的数据是130千瓦，从电堆整体分布上还是具有进一步提升的可能性，我们有实时的动态也会跟大家更新。

我们现在也开发了双堆150千瓦，刚才齐博士也问到了同行一些问题，其实开发双堆的目的主要还是来自于整车厂的反馈，从补贴政策来说我们内部核算下来最有经济性的应该是4.5吨冷链车，布局到各个方面单堆太长不太好布，所以我们开发了双方堆系列的电堆模块。

我们现在实测电堆的一个裸堆，按照现在补贴政策里提到的0.6V，我们现在是4.1千瓦每升，我们的设计寿命是1万小时以上，按照开发一代、应用一代，预言一代的思路，我们现在是正在开发体积比功率超过5kW/L的金属板电堆。

大家也知道燃料电池电堆它是一个多尺度、多学科、多物理场的一个工程技术开发，我们一直坚持的是V型的开发流程，我们系统跟电堆都是V型开发流程，所以从车辆使用需求出发，经过总体设计、流体的仿真、结构仿真，再经过开模打样，也就是金属双极板的开模，然后经过样件测试、样堆测试，最终我们要在整车应用还要经过可靠性的测试，最终做到设计冻结。最后在实现高比功率的同时，我们还要兼顾生产制造的便捷性。

这是内部一个照片的打开图，左边是今年主推120的系统，也是基于双堆150千瓦的电堆模块去做的一个开发，就是两个75千瓦的裸堆。做到双堆的话，双堆的歧管也是经过特殊的一些设计。右边是我们的模电极密封垫，还有双极板的一个实物图，我们现在可以向大家介绍一下，阳极双极板是蛇形流道，阴极是平行折线流道，这个也兼顾了齐博士上的阴阳极要一起开发合起来才是一个冷却液的流场。我们电堆的有效面积是351平方厘米，双极板有效面积占比是60%。

这里我简单介绍一下电堆的流场设计，我们先是通过单根的流道进行一个仿真分析，得到压力和速度的一些数据，然后完成一个单流道尺寸的仿真。接下来是到全尺寸的板子，我们通过流道仿真分析整个板子上流体分布的一致性，上面这个图就经过水场的仿真，最后得到温度分布一致性。中间是阴极侧的平行折线流道，是一个阴极分布一致性的图。最下面是过桥区，也是一个压降的仿真，尽可能缩小压降。接下来是共用通道，这个决定了你的堆到底能做到多少千瓦，单堆的功率上限是在哪里，我们这个共用通道一开始就进行了仿真分析，分析整个电堆的气体和温度一致性的分布。下面这两张图，是我们最早按照100千瓦片去做的一个电堆的入口跟出口流速分布的云图，这时候电堆的流畅设计部分就完成了。

流场设计完成之后还要进行流道局部强度的一些分析仿真分析，因为毕竟是0.1毫米不锈钢冲压而成的，一些局部的地方强度是比较弱的，要进行设计。另外在冲压之前要进行一些冲压的可行性分析，这里就不展开介绍了。

刚才说到经过流场分析以后得到一个单极板的分析，它要焊接成双极板的时候要模拟流道区是否要焊，焊一根、三根、五根、七根，左边这四张图就是我们分析不同的焊线在整个板子的变形分析。中间这两张图就是分析焊线，我们要尽可能缩小焊线，因为焊接的时候必然会带来变型，我们分析了不同的焊接长度板子的变形。最后经过焊接仿真分析，我们要在整个板的变型和最小电阻之间找一个平衡点，最右边是我们在整个板上做了电流密度的仿真。

结构设计方面，我举三个做的结构设计的例子。最左边是密封垫，密封垫我们要做一个结构仿真，看它是不是有局部的一些变形比较集中的地方，这样避免将来在整车做到耐久性的时候会不会提前应力松驰，然后导致发生一些寿命的问题，电堆会漏气的。现在电堆功率越做越大，体积大家又很纠结，要做到那么高的体积比功率，所以在最小体积跟强度之间要做一个平衡，最右边就是上整车之前我们的电堆模块也要经过振动冲击的分析。

这里提一下现在做的双堆的歧管，左上角是单堆的，现在电堆的功率越来越大，空气的流量那么大的情况下，单堆的歧管也要经过一些设计，避免压降太大。到双堆的时候，除了压降大的问题，我们还要做分配的分析。我刚才没有提，电堆4.1kW/L是基于空气过量系数1.7的情况下，所以对空压机的流量要求也比较小。现在双堆经过仿真分析，最后折算的分配一个是1.72，一个是1.68的过量系数。双堆歧管仿真完了以后还要考虑制造的一些可行性。现在歧管还是比较难加工的，我们把它划分成4个模块，最后组装而成最右边歧管的实物图（见PPT图）。

电堆做完设计部分之后要做测试，我们现在做的金属板很关键的因素就是涂层的问题，我们目前是做涂层的外委加工，所以我们只做评估，做涂层的防腐和导电的分析，我们也具备了各个电堆的功率测试台。值得一提的是我们今年刚刚拥有了500V的阻抗测试台，据我了解我们是在在行业内是比较大的做阻抗分析的一个厂家。

时间原因，我简单介绍一下正在开展的两项技术。

我们国内很多也在提想在发动机上做阻抗分析，但是在发动机做在线阻抗分析要用自己的堆，我们要先在电堆上做一个阻抗分析，我们现在这个是在65千瓦的整堆上做的，测试范围是10赫兹到1000赫兹。这里有两张图，一个是做湿度敏感性分析的时候做了一个阻抗分析，可以看到在湿度不断降低的情况下，特别是在高频区是有一个明显，低频区也有一些差别，特别是到低湿的情况下高频的数据就比较满足明显，它有一些变大的。在阴极过量系数方面，大家也可以从数据上看，从2.0一直降到1.6，中低频段就展示出来一些差别。我们现在也是在陆续积累这样的数据，所以我这边也是向大家展示我们正在做的一些情况。

另外一块就是前期电堆的内部开发关注比较多，这几年一直做电堆内部的开发，现在到了生产环节我们开始引入模块化的设计。刚才EK的同行业介绍了一体化模块，也是我们学习的榜样之一。我们内部将歧管、氢气引射器、端板集成成一体化的歧管，像刚才说的EK和丰田都已经做了，我在展会上也看到了康明斯在系统上做一体化的歧管设计，系统的集成度是非常高。

整堆跟系统都是完全自主设计开发，电堆里面是有35个主要零部件。按照国家示范城市群提到的八大零部件，我们目前实现了五大零部件广东省内的企业生产的，绿色部分是我们公司自己设计生产的，蓝色部分是我们在省内的合作伙伴生产的。红色部分是接下来要要跟合作伙伴在接下来几年努力突破，国产化替代，甚至广东省内实现置换。确实做电堆、做系统是一个系统工程，各个地方的零部件都要一起成长，在展会上我发现现在做了一些小的设计，像一些传统的纯电动和燃油车的设计，我还是收获了很多，我希望还没有建立联系的一些合作伙伴也积极联系我们。

这里我提一些我自己的思考，现在行业已经从商业化初期进入了一个小规模的示范阶段，从去年下半年到现在大家都在建产线，像齐博士展示的自动化程度那么高的产线也是我们学习和追赶的目标。现在到了产品稳定性、稳定可靠的生产是目前这个行业发展的重点。我们现在在两个方面还是希望与各位同仁一起探讨的，就是在供应链方面，我觉得现在整个供应链不存在完全的卡脖子环节，我们国产材料还是做的很好的。但是在没有卡脖子，但是还是有部分的原料材料跟国外竞品还是存在一定差距的。另外即使现在是有供应商的，但是产品的合格率，还有NG品要进一步改善的。在质量管理方面，目前部分产品可靠性不高，检测的NG品的数据库不足，我们现在整个行业开始要建自动化产线，自动检测线对NG的识别现在数据库不高，据我了解现在很多业内同行建的产线在自动化程度上并没有真正转起来，主要是受制于NG品库的影响，还是需要人工全检的。

这里我介绍一下我们的一些产品图谱，我们现在零部件，像氢气引射循环系统，包括分子器也是自己开发。我们现在引射循环系统是兼容在主推的系统里用。我们现在主推的两款电堆，一个是单堆形式，还有一个双堆的，单堆作为产品是100千瓦的模块，下面这个是双堆的150千瓦，三堆是130千瓦，甚至有更大一些的，根据市场的需求我们也会不断推出。右边是基于HO100做的E80发动机，下面是E100的发动机，最右边是我们基于150双堆的模块做的一个E120的发动机。

这是我们现在做的几款跟我们的战略合作伙伴福迪汽车之前做的9t的保温车，这个在户外展厅，欢迎大家参观交流，我们之前也跟我们的合作伙伴中植、金龙也开发了8.5米跟10.5米的客车。

产线，我们自己的电堆是刚刚在上个月完成招标，我们预计要建设一条电堆产线，我们电堆产线具备的功能是膜电极的检测线，我们膜电极的检测线具备双面瑕疵检测、尺寸检测、气密检测，我们是一个5工位的气密检测，为了满足节拍的需求。另外就是双极板的检测线，我们现在双极板现在已经冲压成型了，我们现在是要对它进行一个瑕疵检测，还有流场尺寸的检测，包括一个气密检测。在现在整个生产节拍里最卡生产节拍的是密封圈的组装线，我们现在是阴阳极各一条线，每一条线是一个双工位的贴胶圈的线。在电堆装配这一块也是用机械手实现膜电极和双极板的自动装配，整个产能最后下来是单班可以做到2500台，双班做到5000台，预计交货时间是在明年3月底。

这是刚刚建成燃料电池发动机生产线，也是引进了AGV的小车，4工位的组装线，还有气密检测，还有电堆下线，右边是电堆下线的一个实景图。

我刚才也提到电堆开发是需要各个专业领域的同事一起开发，我也展示了我们电堆的开发团队，是比较年轻的，各位同仁如果有在这个行业一起共同发展的理想，可以考虑加入我们一起做燃料电池电堆和系统的开发，谢谢大家！