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【原创】雄韬氢瑞高鹏然:顶尖电堆开发“方法论”
雄韬 文章来源自:高工氢电网
2021-12-20 09:47:26 阅读:7558
摘要我们要做用户买得起,用得放心的电堆,简单而言就是高性价比、高品质和高安全性。
“我们要做用户买得起,用得放心的电堆,简单而言就是高性价比、高品质和高安全性。雄韬研发制造电池已有近30年历史,形成了一套行之有效的‘方法论’,坚持以客户需求为中心,并将所有细节工作落实到开发过程中,包括产品研发、品质控制、产线布局以及大数据分析,最终交付给客户满意的产品。”


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雄韬氢瑞总工程师高鹏然博士

在2021高工氢电年会现场,雄韬氢瑞总工程师高鹏然表示:“燃料电池产品开发测试周期长,研发投入大。以雄韬氢瑞的一款产品为例,从概念设计到产品开发,到最终产业化落地,历经80多个流程节点,耗时2-3年,投入约1个亿。公司目前有三个电堆产品,相关基础研究投入已达到3亿元。”
 
同时燃料电池关键技术还需要持续迭代,而行业普遍面临人才短缺问题。对此,雄韬一方面积极联合高校产学研合作,占领前瞻技术高地,打破技术瓶颈,以推动产业高质量发展;另一方面,公司十分重视对人才培养的投入,为燃料电池产业持续不断地输入新鲜血液。
 
紧接着,高鹏然着重介绍了雄韬氢瑞燃料电池开发流程及进展,并透露了或将对行业技术产生颠覆型影响的新型电堆产品——“纸电堆”。
 
从产品开发角度而言,电堆设计主要有四个关键环节,包括产品设计、电堆集成、电堆测试、电堆性能。雄韬氢瑞电堆A系列都是通过正向设计的方案,整个极板的活性面积占比达到60%,处于行业领先水平;产品的关键原材料利用率大于90%,能够有效降低电堆成本。
 
电堆集成方面,雄韬氢瑞采用先进的集成MES系统机器人全自动装备工艺,由中央视觉系统,自动控制电堆组装尺寸公差小于0.1mm;电堆测试方面,虽然现阶段业界对于工况要求没有统一的标准,但公司会结合国标以及客户的工况做严格测试;电堆性能方面,目前公司A系列电堆的体积功率密度能达到3.5kW/L,在研A2系列电堆的体积功率密度是4.3 kW/L。   
 
电堆正向设计方面,雄韬氢瑞的正向设计分成四个部分,包括概念设计、仿真分析、零部件开发、整堆/模块开发:1、在概念设计上,根据一款电堆的需求,先进行功率匹配,然后是选择极板,细致到选择什么样品质的极板,包括什么样尺寸、什么样工艺制成,以及双极板叠堆的极限在哪里;再是膜电极,对于活性区域的需求,对于整个性能的一些要求;第三是密封,密封有很多不同的工艺,选择合适的工艺也非常重要;接下来是耐久性、空间尺寸、放置方式,最重要的是Boom成本,希望产品做出来具有价格优势,能实现量产。   
 
2、在仿真分析上,首先是各部件及整堆流体分配仿真设计;再是单电池和整堆电化学的仿真分析;第三是电堆水热管理仿真设计。这是目前最重要的几点。做完仿真以后要进行一些零部件的开发。这一点也需要关注,不希望在产品开发开发完之后,因为一些小的问题导致整个电堆出现问题。最后是各部件及整堆结构力学仿真设计,轻量化结构仿真设计。   
 
雄韬氢瑞注重做电堆模块安全性能的分析。电堆模块在整个运行过程中以及在长时间存储后,再次启动时,如何保证模块氢浓度小于1%的极限安全值?公司设计了一些策略,一是限制电堆运行过程中的泄露量;二是推荐电堆模块吹扫策略,快速有效地降低电堆模块中的氢气含量直至接近于零;三是确保在停车过程中,模块内的氢气浓度安全。
 
产品开发出来最终还是要应用,所以公司在电堆应用上也做了非常多的工作,包括做可靠性的验证和上公告,这也花费了非常长的时间。
 
以上是雄韬氢瑞电堆在整个研发制造过程中的一些要点。“对于雄韬而言,研发制造电池近30年,从铅酸到锂电到燃料电池,在这过程中积累了很多的经验,我们会把这些转化成我们的‘方法论’,并迁移至燃料电池的一些研发生产过程中,这也是我们最重要的优势。”高鹏然说。
   
在演讲的最后,他介绍了新型电堆的开发:首先是“纸电堆”。目前公司碳纸双极板的厚度可以做到0.4毫米,厚度与金属板相当,而耐腐蚀性能远超金属板
 
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二是模块化单电池。电堆均一性更好,电堆性能更稳定,同时非常有利于装配。

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三是注重电堆系统效率的提升。对于下游客户而言,产品运行是否高效率,以及氢耗表现如何,非常重要。可以通过电堆本身的化学反应提高效率,另外就是通过与系统的配合,让电堆尽量在各种应用条件下能达到它的最优状态。

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