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上海氢晨大功率金属板燃料电池堆核心技术

发布日期: 2019-10-24
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金属极板电堆具有功率密度高、冷启动性能好、抗振性能优异等优点,是未来车用燃料电池的主流方向;同时金属极板采用冲压、焊接、涂装等工艺,更符合汽车行业发展规律,易于实现大批量、低成本制造。本文分享上海氢晨新能源科技有限公司(以下简称上海氢晨)大功率金属极板燃料电池堆核心技术

燃料电池电堆由数百片双极板、膜电极、密封元件等关键部件层叠装配而成,电堆设计、部件匹配、电堆可靠性等方面面临技术挑战。上海氢晨核心团队源自上海交通大学,经过近10年的持续研发,突破了系列核心技术。

上海氢晨专为100kW系统开发的H2100A型电堆

近年来,上海氢晨专注金属极板电堆,开发出了45kW(面向30kW系统)、80kW(面向60kW系统)和120kW(面向100kW系统)的系列化电堆,在电池性能、可靠性与成本方面具有显著优势。

上海氢晨专为60kW系统开发的H280C型电堆

高功率密度电堆设计

提升集成紧凑性并减小冷却阻力,上海氢晨新一代电堆设计将冷却与进气走向垂直布置。如下图所示,传统的Co/Counter-Flow设计存在水-热平衡问题,导致电流密度(反应)分布不均匀,造成局部过热、水淹/欠气等,影响电池性能和寿命,并对系统控制提出更高的要求。为解决此问题,上海氢晨开发了参数化流道设计工具分区电流密度测试平台,采用国际领xian的Wavy Cross-Flow设计,通过反应气/冷却流道变径和流向控制,解决了高电流密度工况水热平衡问题。新一代Wavy Cross-Flow设计有效提升催化层氧浓度43.5%,通过二次流增强排水效果减少GDL内水淹风险,并提升了换热效率,具体结果见下表。

新一代Wavy Cross-Flow流场与传统Co/Counter-Flow流场设计对比

                   传统Co/Counter-flow流道分区电流密度测试结果@1./c㎡

新一代Wavy Cross-Flow流道分区电流密度测试结果@1./c㎡

新一代Wavy Cross-Flow流道设计后电流密度分布如上图所示,较Co/Counter-Flow设计均匀性提升超70%。基于此技术,上海氢晨专门开发了面向下一代补贴政策的H280C型电堆,电堆额定功率80kW(系统60kW)。如下图所示,相同膜电极条件下电堆性能提升17.7%,体积功率密度(含一体化端板)达2.5kW/L,额定工况电堆效率达53%,怠速工况达 67%。

基于新一代Wavy Cross-Flow流场设计的上海氢晨H280C型电堆性能提升

高可靠性和耐久性

通过内部互锁结构设计和模块连接方式优化,H280C模块设计满足车用SAE J2380抗振要求。下图分别给出了电堆模块的振动变形和各阶共振频率仿真结果,在考虑气体/装配压力和不考虑气体/装配压力的工况下均大于200 Hz。

上海氢晨H280C型电堆模块可靠性-振动变形

上海氢晨H280C型电堆模块可靠性-各阶共振频率

此外,H280C电堆模块防水防尘性能达到IP67等级,具有良好的绝缘性和EMC特性。电堆经过严格的快速变载测试,可在加载速率60 A/s(超过15 kW/s)情况下稳定运行,整堆额定工况节电压波动标准差小于10 mV。更为重要的是,该型电堆的金属极板涂层、催化剂和密封材料均通过车用高压、高腐蚀环境寿命老化实验,结合启停、变载等控制策略优化,保证电堆达到车用耐久性要求。

 

良好环境适应性

电堆实际运行条件往往受到运行环境的影响,因此电堆的环境适应性尤为重要。下图为H280C型电堆在高低温状态下的变形情况,仿真结果表明在不同外部环境下均能达到使用要求。因此,在气量、温湿度偏离标准条件的情况下,H280C电堆仍能保持正常运行

温度对变形的仿真计算结果-低温变行

温度对变形的仿真计算结果-高温变形

下图给出了H280C型电堆的性能敏感性实验结果。在操作条件波动的情况下,电池性能波动小于10 mV。电堆模块先后经历材料级零部件级电堆级的环境适应性优化,达到-20℃冷启动(无辅热)和-40℃低温存储,具有良好的温湿度适应性。

上海氢晨H280C型电堆模块不同工况敏感性:(1)标准工况;(2)计量比增加;(3)计量比减少;(4)低增湿;(5)高增湿;(6)温度变化

 

良好环境适应性

上海氢晨H280C型电堆采用多功能一体化端板设计,兼顾歧管分配、轻量化和绝缘效果。如下图所示,电堆模块总体流量极限偏差阴极<5%冷却<10%;综合考虑轻量化、刚度和成型性的一体化设计结果如下图,电堆模块装配完成后变形量小于0.05 mm。仿真和实验表明,通过一体化设计有效减小电堆模块的体积和重量。此外,外壳主体综合考虑强度和装配便捷性,同时配备CAN通讯的CVM模块,便于零部件选型和系统高度集成,系统zui高xiao率可达58%。

H280C型电堆一体化端板技术-整堆冷却流量分配

H280C型电堆一体化端板技术-端板变形分析

批量制造与质量控制

基于高速冲压超薄金属双极板、膜电极R2R批量化解决方案,配合自主开发的电堆自动化装配平台,集成大量在线/离线检测系统,保证产品的高质量快速批量制造。如下图所示,上海氢晨建立了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,揭示边缘效应产生机理,形成层叠式装配容差分配方法。目前,上海氢晨可以将整堆侧边装配误差控制在0.2mm以内,厚度方向误差控制在0.5mm以内,如下图(右)所示。通过电堆自动化装配平台将装配时间缩短到20-40分钟,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

电堆装配质量控制技术(左:电堆层叠式装配模型;中:装配容差分配;右:自动化装配的裸堆)

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