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氫晨科技300kW大功率單堆秘籍是什么？
2022-11-24
來源：高工氫電作者：游保平
瀏覽數：530
在近期的佛山國際氫能展上，作為電堆頭部企業的氫晨科技，率先對外展示了業內首個300kW的大功率金屬板單堆產品，這也是國產電堆再次向更大功率方向邁進的一個重要信號。成功研發300kW大功率電堆背后，需要突破哪些挑戰？氫晨科技又能給到行業哪些啟示？
在近期的佛山國際氫能展上，作為電堆頭部企業的氫晨科技，率先對外展示了業內首個300kW的大功率金屬板單堆產品，這也是國產電堆再次向更大功率方向邁進的一個重要信號。成功研發300kW大功率電堆背后，需要突破哪些挑戰？氫晨科技又能給到行業哪些啟示？
300kW大功率燃料電池電堆是氫晨科技結合重型商用車、大型工程機械等應用場景，自主研發的H3系列電堆產品。電能輸出高效穩定，擁有優異的冷啟動表現、領先的耐久性能及高安全等級等特點。基于全新的H3技術開發的300kW電堆相比于此前的電堆產品，除了在功率方面有明顯提升之外，在產品的性能和穩定性上也有新的飛躍。尤其是在膜電極催化活性提升、傳質與分配的增強以及電堆的一致性和穩定性方面進展較大。膜電極催化活性的提升。通過催化劑層有序化的結構設計以及催化劑的粒徑優化，使得H3的催化劑利用率相較H2提升了20%。傳質與分配的增強。通過H3新型的強制對流流場設計，促進了流場與氣體擴散層界面上的氣體分配均勻性和傳質速率，使得電堆在大電流下（3A/cm² ）不發生傳質極化，可以穩定持續輸出。電堆結構的一致性和穩定性。通過Unitcell的單元電池的封裝形式保證了單電池的結構一致性和穩定性，確保各節電池內氣體和冷卻液分配的一致性，從而提升了電堆的整體輸出特性。正是基于以上“三大”硬核技術極大地提升了電池單位面積上的輸出功率，助推氫晨科技在產品化和工程化更上一個臺階。300kW電堆的出現，最大的作用在于對加快氫能重卡的商用提供強大助力。匹配300kW電堆的燃料電池系統凈輸出功率將達到200kW以上，系統峰值凈輸出功率有望達到240kW以上，完全滿足49噸以上重卡長途高速的應用場景的動力需要。在長途重卡應用場景下，不同于目前的中混或增程式動力系統架構，搭載這款電堆的燃料電池系統完全可以作為整車的主動力源，從而大幅降低動力系統對鋰電池的需求。自公司成立以來，氫晨科技一直以高功率密度，大功率電堆作為拳頭產品，氫晨科技300kW金屬板電堆的研發成功，克服了材料學、工程學領域的諸多難題，是向大功率方向的一次新飛躍。百千瓦級大功率燃料電池電堆由超400對雙極板-膜電極串聯疊裝，在超過800個密封面上布置著1500米長的密封線。燃料電池可靠性、一致性與疊裝效率成為國際性技術難題。氫晨科技能在大功率方向上持續突破，與其核心團隊密不可分。與做化學和材料的同行相比不同的是，氫晨科技初始研發團隊的技術基礎還有機械技術，公司一開始研究的就是金屬極板技術，再擴展到整堆技術，注重整體設計和制造工藝控制。大功率電堆一方面要保證高功率密度，這就要求材料方面的突破；另一方面又需要整堆規模大，就必須要求整堆結構設計、生產制造工藝等機械方面實現高質量和一致性。從200kW到300kW，難度是幾何級提升。為解決大功率金屬板電堆的技術挑戰和工程難題，氫晨科技在長期的研究摸索中，形成了一套自己的組合拳。以多材料體系高通量計算方法、大功率電堆高可靠設計方法、層疊結構高一致疊裝技術和批量制造高效率柔性產線構成了自己的核心技術。其中，多材料體系高通量計算方法融合了材料性能第一性原理計算、材料制備與介質傳輸分子動力學，多材料復合的高通量計算方法等多學科原理；大功率電堆高可靠設計方法融合了大面積復雜流場設計、高可靠密封材料與結構、誤差分析與公差設計等學科原理；層疊結構高一致疊裝技術則融合了部件偏差描述與匹配、定位誤差分析與設計、超靜定夾緊補償等技術；批量制造高效率柔性產線則打通了可靠抓取-放置方法、雙機器人碼垛技術、部件快速檢測技術等核心環節。氫晨科技按照汽車行業的標準來生產電堆，通過雙機器人碼垛技術使得電堆的裝配效率提高了12倍，一次合格率達到98%以上，最終讓百千瓦級燃料電池電堆的裝配時間從原來的4h降至20min。氫晨科技成立于2017年，專注大功率、高密度金屬極板燃料電池電堆研發、生產、銷售，與產業鏈上下游協作迅速成為燃料電池領域頭部企業。一項新技術從研發成型到裝車應用，其驗證過程是相當嚴格的，要經過包括低溫存儲、低溫啟動、絕緣、防水防塵、冷熱沖擊、振動、鹽霧等多項測試驗證。氫晨科技的電堆經過了以上嚴格檢測驗證。現階段，氫晨科技基于H2技術開發的80kW、100kW、120kW和150kW等四款大功率電堆均已實現百臺級裝車。其中，150kW燃料電池電堆已經累計實現交付近2000臺，效率可達53%，全工況下單元電壓方差低于10mV的高一致性，在更大的工況范圍內實現更高的效率和更長的使用壽命。在產品的市場應用方面，氫晨科技的電堆在山西自卸車的百臺級應用，公交車百臺級交付；還參與500kW的燃料電池儲能發電系統，上海臨港中運量2號線和中車氫能源機車等多個重大項目。截至目前，氫晨科技已經建立起自己的批量制造高效率柔性產線。擁有高精度核心部件檢測設備、電堆自動裝配、活化測試系統、電堆自動封裝線等，可實現年產能10000套，并通過IATF16949認證。批量測試能力方面，已建成滿足研發、生產大功率電堆活化測試線，最高可滿足300kW測試能力。目前氫能產業正處在高速發展期，產業集群已具雛形，從氫能技術研發到產業發展布局都取得積極進展。未來幾年將是實現全產業鏈技術突破，從研發階段轉入規模化商業化示范應用的關鍵時期。氫晨科技未來將緊跟下游需求，強化場景應用和設施保證；多維度發展，積極探索新技術示范，在保持降本趨勢的同時，保障產品穩定性，穩固產品表現，助力國家“雙碳”目標的實現。
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