凌氫新能源王少華：燃料電池系統(tǒng)環(huán)境可靠性試驗(yàn)研究
江蘇凌氫新能源科技有限公司技術(shù)總監(jiān)王少華作主題演講
8月25日，由中國(guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì)、電池中國(guó)網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2023氫能與燃料電池技術(shù)及應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)”在中國(guó)上海隆重舉行。
江蘇凌氫新能源科技有限公司技術(shù)總監(jiān)王少華作題為《燃料電池系統(tǒng)環(huán)境可靠性試驗(yàn)研究》的主題演講。
以下是發(fā)言內(nèi)容實(shí)錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
王少華：我今天分享的內(nèi)容主要分三個(gè)部分：
第一我國(guó)燃料電池行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r；
第二氫燃料電池可靠性研究中的幾個(gè)問題；
第三凌氫在環(huán)境可靠性測(cè)試領(lǐng)域研究的成果。
眾所周知，我們國(guó)家新能源汽車行業(yè)主要是有兩大方向，一個(gè)是電動(dòng)化，還有一個(gè)是智能化。電動(dòng)化實(shí)際上需要耗電耗能，而目前對(duì)于新能源行業(yè)我們國(guó)家向世界承諾的雙碳目標(biāo)實(shí)際上是對(duì)這個(gè)行業(yè)的一大推動(dòng)，根據(jù)我國(guó)目前的能源結(jié)構(gòu)來說，不管是工業(yè)用電還是居民生活用電，主要用的都是網(wǎng)電，而網(wǎng)電實(shí)際上就是百分之六七十是燒煤炭，燒煤炭就會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳。在座的都是理工科的，對(duì)于我們的燃料來說主要就是碳?xì)溲酰虢堤紝?shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，我們就可以通過增加氫的燃料的比例就可以，所以氫能源就成為了一大發(fā)展趨勢(shì)。
目前各國(guó)對(duì)新能源電池整個(gè)研發(fā)也可以看到，不管是國(guó)家大的投資也好，還是說一些企業(yè)的涌入，新興的企業(yè)或者是整個(gè)行業(yè)的一些投資熱潮，我們也可以看到氫能源實(shí)際上是大家比較熱衷的，也是后期很大的發(fā)展方向。
這個(gè)表是我列舉的近幾年，一些國(guó)際上對(duì)這個(gè)行業(yè)氫能源電池、燃料電池這個(gè)行業(yè)發(fā)展的時(shí)間節(jié)點(diǎn)還有主要的事件。具體涉及到我們國(guó)家，汽車這個(gè)行業(yè)已經(jīng)開始形成了投資熱潮和研發(fā)熱潮，同時(shí)有大量的技術(shù)創(chuàng)新企業(yè)也紛紛涌現(xiàn)，示范運(yùn)行也陸續(xù)啟動(dòng)，國(guó)家整個(gè)產(chǎn)業(yè)政策還有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也在日均完善。
從燃料電池汽車技術(shù)研發(fā)的流程來看，主要是從原理研究、材料研究、性能研究再到多場(chǎng)景的應(yīng)用，然后在整個(gè)研發(fā)鏈條中可靠性研究是非常必要的。
首先可靠性研究第一是能夠?qū)τ谖覀兊漠a(chǎn)品研發(fā)這一塊、性能研發(fā)是有很好的檢測(cè)測(cè)試的流程標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)作為我們的市場(chǎng)準(zhǔn)入來說，我們可靠性的研究也是一定要做的，因?yàn)橹挥薪?jīng)歷了可靠性研究的產(chǎn)品，確定是沒問題了才可以裝車，大范圍的推廣應(yīng)用，所以我們可靠性的研究也是必須要去做的工作。
我們?nèi)剂想姵剡@個(gè)行業(yè)發(fā)展，剛才也提到了對(duì)于可靠性研究是整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然路徑，同時(shí)也是行業(yè)發(fā)展必然的需求。說到這里我可以舉一個(gè)例子，其實(shí)早在100多年前，已經(jīng)有一種技術(shù)叫氫能飛行器，以前就有這樣的產(chǎn)品，但是他由于缺乏可靠性的研究，最終被終止了因?yàn)樗邪l(fā)出來以后，飛上天以后發(fā)生了爆炸，從此就覺得這項(xiàng)技術(shù)是不成熟的，實(shí)際上這完全是一個(gè)偶然事件，是一個(gè)突發(fā)事件，但是就是因?yàn)樗麤]有做可靠性的研究，整個(gè)世界放棄了這樣一個(gè)很先進(jìn)的技術(shù)，導(dǎo)致目前我們現(xiàn)在再去發(fā)展氫能源，實(shí)際上已經(jīng)被之前落后了一百年的時(shí)間，所以說可靠性的研究也是產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必然需求。
同時(shí)各個(gè)企業(yè)尤其是近三五年間，燃料電池系統(tǒng)或者是燃料電池電堆研發(fā)型的企業(yè)，如雨后春筍一般噴涌而出，為了避免企業(yè)的同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)，還有技術(shù)內(nèi)卷化，所以我們可靠性這一塊也是對(duì)不同企業(yè)都是有要求的，這個(gè)也是競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)。
同時(shí)，只有經(jīng)歷了可靠性的測(cè)試以后，才能被廣大的消費(fèi)群體所接受，所以這個(gè)也是一個(gè)急需的一項(xiàng)研究。
講到可靠性研究，實(shí)際上是分了幾個(gè)方面，首先第一是氫安全泄露方面的研究，因?yàn)闅錃馐遣煌谄渌臍怏w的，因?yàn)闅錃鈱?shí)際上是一種最小的原子，很容易發(fā)生泄露，所以對(duì)于氫能的電堆也好，整個(gè)系統(tǒng)管路也好，實(shí)際上是要求非常高的，所以說通過這樣一個(gè)泄露方面的研究，保證安全性。
第二熱學(xué)研究—全溫區(qū)。因?yàn)槲覀冏罱K研發(fā)的系統(tǒng)也好、電堆也好，最終是要裝車的，要運(yùn)行在整個(gè)全國(guó)范圍內(nèi)或者是世界范圍內(nèi)，有這樣一個(gè)運(yùn)行的條件，所以剛才戴老師也分享了，他要有高溫、高寒、高濕、高原所有的條件，我們都要滿足它，所以這個(gè)實(shí)際上也就是全溫區(qū)的概念，再就是電學(xué)研究全功率。因?yàn)槲覀冎廊剂想姵卦韺?shí)際上是電化學(xué)反應(yīng)，而對(duì)于電化學(xué)反應(yīng)來說，正常的電功率效率是可以達(dá)到50%的效率，也就是說對(duì)于釋放1500千瓦的電系統(tǒng)來說，會(huì)在環(huán)境中有將近100千瓦大的散熱量，這個(gè)實(shí)際上就是它的功率是比較大的。
我們從無人機(jī)或者是電動(dòng)車非常小的幾千瓦的系統(tǒng)，然后一直到我們的貨輪，目前可能是比較大的，有400、500千瓦甚至上千千瓦整個(gè)功率的要求，剛才有個(gè)博士也分享了，功率我們?cè)阶鲈酱螅哉f這種情況下就需要我們做一個(gè)全功率的電學(xué)研究測(cè)試。
再就是全工況，這個(gè)不用說了，我們都比較好理解，因?yàn)檐囕v運(yùn)行的工況是非常復(fù)雜的。講到氫安全，我們先分享這塊，氫安全實(shí)際上也是有兩個(gè)方面，一個(gè)是氫氣的安全，還有一個(gè)方面是電池特性的安全，因?yàn)槲覀儌鹘y(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)可能只有24伏的供電，但是對(duì)于燃料電池可能從400伏、500伏、600伏這樣一個(gè)區(qū)間里，所以它的電安全也非常的重要。
剛才講了氫安全，再加上這個(gè)電安全形成了一個(gè)完整的燃料電池系統(tǒng)的安全性，當(dāng)然主要是有以下五個(gè)方面：
第一，材料安全防護(hù)。
第二，元器件安全防護(hù)。
第三，氫系統(tǒng)安全防護(hù)。
第四，溫度監(jiān)控防護(hù)。
第五，碰撞安全防護(hù)。
這是整個(gè)我們安全方面需要研究的一個(gè)內(nèi)容，這個(gè)是我們講做一些測(cè)試，安全方面的一些測(cè)試，首先要滿足一些被動(dòng)服務(wù)的測(cè)試，什么是被動(dòng)測(cè)試呢？就是說我們負(fù)責(zé)蓋章的檢測(cè)中心對(duì)這種OEM批量生產(chǎn)的零部件，我們要有一定的測(cè)試，這個(gè)實(shí)際上就是它的一些測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。
同時(shí)對(duì)于我們企業(yè)做研發(fā)來說，除了一些準(zhǔn)入的標(biāo)準(zhǔn)或者是裝車的標(biāo)準(zhǔn)以外，還需要對(duì)我們自己研發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行更加復(fù)雜的、更加適用性比較強(qiáng)的產(chǎn)品研發(fā)，所以實(shí)際上對(duì)于氫安全這一塊實(shí)際上需要做很多的工作。
我們常見的安全系統(tǒng)缺陷，主要是以下幾個(gè)方面，首先是缺乏涉氫安全、涉及理論體系的指導(dǎo)，這個(gè)實(shí)際上比如說我們對(duì)我們的產(chǎn)品，什么地方它容易發(fā)生泄露，哪個(gè)位置容易發(fā)生泄露，氫泄露了以后它會(huì)聚集在什么樣的空間范圍內(nèi)，可以說這些實(shí)際上都是需要我們對(duì)理論進(jìn)行一個(gè)研究以后，才能得出。
因?yàn)檫@些會(huì)涉及到氫安全的布置位置，我們氫排放它的布置位置，通過這些理論的研究，氫氣擴(kuò)散理論的研究，指導(dǎo)我們實(shí)際的一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。然后就是未進(jìn)行涉氫安全頂層設(shè)計(jì)，這個(gè)說的面就比較大了，因?yàn)槲覀冎v氫安全，從制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫整個(gè)一個(gè)環(huán)節(jié)，它實(shí)際上都要有這樣一個(gè)頂層安全性的設(shè)計(jì)思想。
對(duì)于傳感器的一個(gè)種類，分布缺乏系統(tǒng)性的安排，這個(gè)就是剛才我講的，我們對(duì)于我們的一個(gè)系統(tǒng)來說，實(shí)際上有氫溫度傳感器，有溫濕度傳感器，包括有壓力傳感器，整個(gè)通過這樣一種傳感器的布局，然后通過我們的一個(gè)執(zhí)行器的數(shù)字化的處理，我們更好的能實(shí)現(xiàn)我們的這樣一個(gè)安全系統(tǒng)。
再就是對(duì)故障信息缺少分析和處理能力，這個(gè)主要是因?yàn)檫@個(gè)行業(yè)本身發(fā)展的實(shí)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)來說實(shí)現(xiàn)比較短，所以我們這方面不管是知識(shí)的缺乏，還是人才的缺乏，包括常規(guī)遇到的一些問題的分析和處理，我們實(shí)際上還是缺乏這方面的一個(gè)能力，當(dāng)然我們也一直在發(fā)展，這方面也一直在補(bǔ)這塊的東西。
再就是對(duì)系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)不能形成聯(lián)動(dòng)，剛才幾位博士都已經(jīng)分享過了，對(duì)于我們氫燃料電池系統(tǒng)來說分了4個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)是空氣供應(yīng)系統(tǒng)，氫氣供應(yīng)系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)，還有電子控制系統(tǒng)，這4個(gè)系統(tǒng)它是相互獨(dú)立，同時(shí)也是相互關(guān)聯(lián)的。
我們?cè)趺慈ネㄟ^一個(gè)氫氣的泄露，會(huì)影響到哪些系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)怎么去形成一個(gè)集聯(lián)動(dòng)的方式，這個(gè)全溫區(qū)比較容易理解，因?yàn)闅淙剂想姵貙?shí)際上和其它的幾個(gè)電池最大的區(qū)別，它有自己的特殊之處，也有它很多的優(yōu)點(diǎn)：
第一，能量密度高，清潔指數(shù)高，安全性好，續(xù)航里程也比較長(zhǎng)，這個(gè)是比較好的。同時(shí)加上涉及到一個(gè)冷啟動(dòng)，相當(dāng)于是不同類型的電池，它的溫區(qū)不一樣，這個(gè)全溫區(qū)對(duì)于整個(gè)全球范圍內(nèi)溫度狀況是不一樣的，所以有一個(gè)溫區(qū)的實(shí)驗(yàn)要求，它的意義主要是第一指導(dǎo)燃料電池系統(tǒng)開發(fā)，第二是尋求燃料電池電堆合理的內(nèi)外溫度運(yùn)行，然后減少熱失衡故障，提升燃料電池系統(tǒng)安全性，為冷啟動(dòng)方案提供依據(jù)。
全功率剛才提到了，就是說我們從幾千瓦的一直到上千千瓦整個(gè)功率范圍內(nèi)，實(shí)際上我們整個(gè)的是在不同的功率范圍時(shí)候，我們的系統(tǒng)它的實(shí)際輸出狀態(tài)，實(shí)際上是需要我們進(jìn)一步研究的。
在這個(gè)全功率范圍內(nèi)，實(shí)際上最大的一個(gè)就是散熱量的問題，同時(shí)還有熱濕控制和整個(gè)空間的流程合理性布局。全工況實(shí)際上就是對(duì)于車輛不同的運(yùn)載工況，我們不同的時(shí)候有不同的工況要求，這就要求我們?cè)跍y(cè)試的時(shí)候，第一快速響應(yīng)，同時(shí)散熱量和濕熱控制、姿態(tài)模擬這樣一種工況的要求。
總結(jié)一下，主要有以下六個(gè)方面對(duì)于可靠性研究來說，有六個(gè)方面的問題需要我們?nèi)ソ鉀Q，需要我們?nèi)ヌ幚怼?/p>
第一，缺少大功率氫的實(shí)驗(yàn)倉(cāng)。
第二，不能解決動(dòng)態(tài)散熱的問題。
第三，倉(cāng)內(nèi)溫場(chǎng)、流場(chǎng)紊亂。
第四，氫安全問題困擾行業(yè)發(fā)展。
第五，無法實(shí)現(xiàn)姿態(tài)變載動(dòng)態(tài)模擬。
第六，缺少多種工況的模擬能力。
應(yīng)對(duì)以上主要的4個(gè)問題，我們凌氫在環(huán)境可靠性測(cè)試領(lǐng)域主要的一些研究成果：
第一個(gè)是開創(chuàng)了風(fēng)動(dòng)式燃料電池環(huán)境倉(cāng)的先河，主要是以下四個(gè)方面，環(huán)境倉(cāng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)風(fēng)動(dòng)式平均流場(chǎng)，增加了氫氣分離擴(kuò)張段，實(shí)現(xiàn)了氫氣分離，通過可調(diào)試適量風(fēng)口的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)氣流準(zhǔn)確供應(yīng)。
第四個(gè)是分布式微流道的設(shè)計(jì)避免氫氣逐步聚集。第二個(gè)成果是氫安全體系化整體安全解決方案，第一是安全舉證再加上四級(jí)聯(lián)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)的。
第三個(gè)研究成果就是開發(fā)了燃料電池冷啟動(dòng)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，主要是模擬氫樣件在低溫環(huán)境下進(jìn)行冷啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)還有可靠性的測(cè)試。
第四個(gè)解決了系統(tǒng)加載動(dòng)態(tài)響應(yīng)的問題，主要是載冷系統(tǒng)蓄能技術(shù)還有冷熱動(dòng)平衡控制技術(shù)。
第五個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的協(xié)同供應(yīng)，再就是整倉(cāng)以及低氣壓這樣一個(gè)氣壓模擬，由于時(shí)間我主要就是具體的技術(shù)就不展開，我們凌氫公司也是一直致力于測(cè)試行業(yè)的發(fā)展，公司雖然時(shí)間不長(zhǎng)，我們也提出了很多非常有價(jià)值的技術(shù)迭代和更新，感謝各位，我的分享就這些，謝謝。
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