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高密度电堆数字化设计与智能制造

钜大LARGE  |  点击量:1401次  |  2019年11月30日  

金属板电堆拥有体积小、重量轻、功率密度高等优势,被认为在未来燃料电池汽车上的应用潜力大,但囿于当前国内技术不够成熟,在市场上的实际应用较少。如何攻克高密度金属板电堆的技术挑战,是摆在国内企业面前的一道难题。


7月3日,由高工氢电、高工产业研究院主办,以“风口上起舞,刀口上前行”为主题的2019高工氢电产业峰会在上海浦东嘉里大酒店3楼浦东厅盛大开幕,来自车企、电堆及系统、核心材料、关键零部件及设备、氢气制储运等全产业链各个环节的超500位企业高层共聚一堂,围绕产品技术及行业发展趋势展开深度探讨交流。


在会议上,上海氢晨新能源科技有限公司(下称“上海氢晨”)总经理易培云博士发表了“高密度燃料电池电堆数字化设计与智能制造”的主题演讲。


众所周知,燃料电池电堆由数百片双极板、膜电极等关键部件装配而成,是燃料电池汽车的发动机,直接影响着整车性能表现。从成本角度来看,电堆约占燃料电池系统成本的60%,占整车成本的30%,其能否实现规模化智能生产,也直接关系到整车成本的大幅降低。


易培云表示,金属板电堆具有功率密度高、冷启动快、抗振性能好、适合于大批量制造等优势,是未来车用燃料电池的发展趋势。不过,当前金属板电堆要实现高功率密度、超长寿命、超低成本,仍然面临着较大的技术挑战。


“电堆性能是设计出来的,电堆寿命与装备工艺密切相关,同时能否实现新的制造模式直接关乎成本的降低。”易培云说,企业需思考的是,该如何构建比功率电堆构型,如何提升电堆装配一致性与鲁棒性,以及如何实现电堆与核心部件的智能制造。


针对这些问题,易培云在会议现场给出了很多建议。他认为,实现高密度电堆数字化设计与智能制造需要把握几大关键技术:一是电堆涉及多学科,比如机械工程固体力学、工程热物理流体力学、电化学分子动力学等,要做好“跨尺度”联合仿真技术;


二是层叠式装配界面匹配与容差分配技术:研究极板与膜电极组件间的微观接触行为,建立电-力耦合模型与密封接触模型,通过多目标优化实现金属极板与膜电极的有效匹配;


三是层叠式装配界面匹配与容差分配技术:建立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;


四是电堆智能检测与快速诊断技术:引入高速摄像在线检测电堆水气传输特性,引入智能传感等实时监测电堆装配和使用过程的接触压力均匀性、电流分布均匀性等状态;开发大功率电堆气体流量分布测试系统,诊断电堆密封状态;采集电堆使用过程的温度、湿度信息,实现电堆全寿命周期健康状态监测。


五是高密度电堆智能制造技术:基于5G技术、RFID、传感器和服务架构,依托物料唯一身份编码与存储数据库,实现燃料电池部件和电堆的自动识别、配送、匹配、装配、监控。


资料显示,上海氢晨核心技术源于上海交通大学10余年的研究成果,主要聚焦于高比功率燃料电池电堆研发与生产。公司研发团队不局限于电堆技术,而是对电堆的核心材料、核心部件乃至燃料电池系统都有全面深入的理解,拥有很强的正向设计能力。


目前上海氢晨的核心产品有H-Rise05型电堆——峰值55kW,功率密度2.5kW/L,适合30kW车用动力系统;H-Rise06型电堆——峰值103kW,功率密度3.3kW/L,适合60-80kW车用动力系统;空冷无人机电堆——峰值1.6kW,系统重量功率500W/kg,续航4小时等。


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