凌氫新能源王少華：燃料電池系統(tǒng)環(huán)境可靠性試驗研究
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，由中國電池工業(yè)協(xié)會、電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2023氫能與燃料電池技術(shù)及應(yīng)用國際峰會”在中國上海隆重舉行。
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)境可靠性試驗研究》的主題演講。
以下是發(fā)言內(nèi)容實錄，未經(jīng)嘉賓審閱：
王少華：我今天分享的內(nèi)容主要分三個部分：
第一我國燃料電池行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r；
第二氫燃料電池可靠性研究中的幾個問題；
第三凌氫在環(huán)境可靠性測試領(lǐng)域研究的成果。
眾所周知，我們國家新能源汽車行業(yè)主要是有兩大方向，一個是電動化，還有一個是智能化。電動化實際上需要耗電耗能，而目前對于新能源行業(yè)我們國家向世界承諾的雙碳目標(biāo)實際上是對這個行業(yè)的一大推動，根據(jù)我國目前的能源結(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)電實際上就是百分之六七十是燒煤炭，燒煤炭就會產(chǎn)生大量的二氧化碳。在座的都是理工科的，對于我們的燃料來說主要就是碳?xì)溲酰虢堤紝崿F(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。
目前各國對新能源電池整個研發(fā)也可以看到，不管是國家大的投資也好，還是說一些企業(yè)的涌入，新興的企業(yè)或者是整個行業(yè)的一些投資熱潮，我們也可以看到氫能源實際上是大家比較熱衷的，也是后期很大的發(fā)展方向。
這個表是我列舉的近幾年，一些國際上對這個行業(yè)氫能源電池、燃料電池這個行業(yè)發(fā)展的時間節(jié)點還有主要的事件。具體涉及到我們國家，汽車這個行業(yè)已經(jīng)開始形成了投資熱潮和研發(fā)熱潮，同時有大量的技術(shù)創(chuàng)新企業(yè)也紛紛涌現(xiàn)，示范運行也陸續(xù)啟動，國家整個產(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、性能研究再到多場景的應(yīng)用，然后在整個研發(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)是有很好的檢測測試的流程標(biāo)準(zhǔn)，同時作為我們的市場準(zhǔn)入來說，我們可靠性的研究也是一定要做的，因為只有經(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@個行業(yè)發(fā)展，剛才也提到了對于可靠性研究是整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然路徑，同時也是行業(yè)發(fā)展必然的需求。說到這里我可以舉一個例子，其實早在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，最終被終止了因為它研發(fā)出來以后，飛上天以后發(fā)生了爆炸，從此就覺得這項技術(shù)是不成熟的，實際上這完全是一個偶然事件，是一個突發(fā)事件，但是就是因為他沒有做可靠性的研究，整個世界放棄了這樣一個很先進的技術(shù)，導(dǎo)致目前我們現(xiàn)在再去發(fā)展氫能源，實際上已經(jīng)被之前落后了一百年的時間，所以說可靠性的研究也是產(chǎn)業(yè)化發(fā)展必然需求。
同時各個企業(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)化競爭，還有技術(shù)內(nèi)卷化，所以我們可靠性這一塊也是對不同企業(yè)都是有要求的，這個也是競爭的基礎(chǔ)。
同時，只有經(jīng)歷了可靠性的測試以后，才能被廣大的消費群體所接受，所以這個也是一個急需的一項研究。
講到可靠性研究，實際上是分了幾個方面，首先第一是氫安全泄露方面的研究，因為氫氣是不同于其他的氣體的，因為氫氣實際上是一種最小的原子，很容易發(fā)生泄露，所以對于氫能的電堆也好，整個系統(tǒng)管路也好，實際上是要求非常高的，所以說通過這樣一個泄露方面的研究，保證安全性。
第二熱學(xué)研究—全溫區(qū)。因為我們最終研發(fā)的系統(tǒng)也好、電堆也好，最終是要裝車的，要運行在整個全國范圍內(nèi)或者是世界范圍內(nèi)，有這樣一個運行的條件，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，所以這個實際上也就是全溫區(qū)的概念，再就是電學(xué)研究全功率。因為我們知道燃料電池原理實際上是電化學(xué)反應(yīng)，而對于電化學(xué)反應(yīng)來說，正常的電功率效率是可以達到50%的效率，也就是說對于釋放1500千瓦的電系統(tǒng)來說，會在環(huán)境中有將近100千瓦大的散熱量，這個實際上就是它的功率是比較大的。
我們從無人機或者是電動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功率的要求，剛才有個博士也分享了，功率我們越做越大，所以說這種情況下就需要我們做一個全功率的電學(xué)研究測試。
再就是全工況，這個不用說了，我們都比較好理解，因為車輛運行的工況是非常復(fù)雜的。講到氫安全，我們先分享這塊，氫安全實際上也是有兩個方面，一個是氫氣的安全，還有一個方面是電池特性的安全，因為我們傳統(tǒng)的發(fā)動機可能只有24伏的供電，但是對于燃料電池可能從400伏、500伏、600伏這樣一個區(qū)間里，所以它的電安全也非常的重要。
剛才講了氫安全，再加上這個電安全形成了一個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方面：
第一，材料安全防護。
第二，元器件安全防護。
第三，氫系統(tǒng)安全防護。
第四，溫度監(jiān)控防護。
第五，碰撞安全防護。
這是整個我們安全方面需要研究的一個內(nèi)容，這個是我們講做一些測試，安全方面的一些測試，首先要滿足一些被動服務(wù)的測試，什么是被動測試呢？就是說我們負(fù)責(zé)蓋章的檢測中心對這種OEM批量生產(chǎn)的零部件，我們要有一定的測試，這個實際上就是它的一些測試標(biāo)準(zhǔn)。
同時對于我們企業(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，還需要對我們自己研發(fā)的產(chǎn)品進行更加復(fù)雜的、更加適用性比較強的產(chǎn)品研發(fā)，所以實際上對于氫安全這一塊實際上需要做很多的工作。
我們常見的安全系統(tǒng)缺陷，主要是以下幾個方面，首先是缺乏涉氫安全、涉及理論體系的指導(dǎo)，這個實際上比如說我們對我們的產(chǎn)品，什么地方它容易發(fā)生泄露，哪個位置容易發(fā)生泄露，氫泄露了以后它會聚集在什么樣的空間范圍內(nèi)，可以說這些實際上都是需要我們對理論進行一個研究以后，才能得出。
因為這些會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，氫氣擴散理論的研究，指導(dǎo)我們實際的一個產(chǎn)品設(shè)計。然后就是未進行涉氫安全頂層設(shè)計，這個說的面就比較大了，因為我們講氫安全，從制氫、儲氫、運氫整個一個環(huán)節(jié)，它實際上都要有這樣一個頂層安全性的設(shè)計思想。
對于傳感器的一個種類，分布缺乏系統(tǒng)性的安排，這個就是剛才我講的，我們對于我們的一個系統(tǒng)來說，實際上有氫溫度傳感器，有溫濕度傳感器，包括有壓力傳感器，整個通過這樣一種傳感器的布局，然后通過我們的一個執(zhí)行器的數(shù)字化的處理，我們更好的能實現(xiàn)我們的這樣一個安全系統(tǒng)。
再就是對故障信息缺少分析和處理能力，這個主要是因為這個行業(yè)本身發(fā)展的實現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)發(fā)動機來說實現(xiàn)比較短，所以我們這方面不管是知識的缺乏，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，我們實際上還是缺乏這方面的一個能力，當(dāng)然我們也一直在發(fā)展，這方面也一直在補這塊的東西。
再就是對系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)不能形成聯(lián)動，剛才幾位博士都已經(jīng)分享過了，對于我們氫燃料電池系統(tǒng)來說分了4個系統(tǒng)，一個是空氣供應(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個系統(tǒng)它是相互獨立，同時也是相互關(guān)聯(lián)的。
我們怎么去通過一個氫氣的泄露，會影響到哪些系統(tǒng)的運行，同時怎么去形成一個集聯(lián)動的方式，這個全溫區(qū)比較容易理解，因為氫燃料電池實際上和其它的幾個電池最大的區(qū)別，它有自己的特殊之處，也有它很多的優(yōu)點：
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，這個是比較好的。同時加上涉及到一個冷啟動，相當(dāng)于是不同類型的電池，它的溫區(qū)不一樣，這個全溫區(qū)對于整個全球范圍內(nèi)溫度狀況是不一樣的，所以有一個溫區(qū)的實驗要求，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功率范圍內(nèi)，實際上我們整個的是在不同的功率范圍時候，我們的系統(tǒng)它的實際輸出狀態(tài)，實際上是需要我們進一步研究的。
在這個全功率范圍內(nèi)，實際上最大的一個就是散熱量的問題，同時還有熱濕控制和整個空間的流程合理性布局。全工況實際上就是對于車輛不同的運載工況，我們不同的時候有不同的工況要求，這就要求我們在測試的時候，第一快速響應(yīng)，同時散熱量和濕熱控制、姿態(tài)模擬這樣一種工況的要求。
總結(jié)一下，主要有以下六個方面對于可靠性研究來說，有六個方面的問題需要我們?nèi)ソ鉀Q，需要我們?nèi)ヌ幚怼?/p>
第一，缺少大功率氫的實驗倉。
第二，不能解決動態(tài)散熱的問題。
第三，倉內(nèi)溫場、流場紊亂。
第四，氫安全問題困擾行業(yè)發(fā)展。
第五，無法實現(xiàn)姿態(tài)變載動態(tài)模擬。
第六，缺少多種工況的模擬能力。
應(yīng)對以上主要的4個問題，我們凌氫在環(huán)境可靠性測試領(lǐng)域主要的一些研究成果：
第一個是開創(chuàng)了風(fēng)動式燃料電池環(huán)境倉的先河，主要是以下四個方面，環(huán)境倉內(nèi)實現(xiàn)風(fēng)動式平均流場，增加了氫氣分離擴張段，實現(xiàn)了氫氣分離，通過可調(diào)試適量風(fēng)口的設(shè)計，實現(xiàn)氣流準(zhǔn)確供應(yīng)。
第四個是分布式微流道的設(shè)計避免氫氣逐步聚集。第二個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聯(lián)動的方式實現(xiàn)的。
第三個研究成果就是開發(fā)了燃料電池冷啟動內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，主要是模擬氫樣件在低溫環(huán)境下進行冷啟動實驗還有可靠性的測試。
第四個解決了系統(tǒng)加載動態(tài)響應(yīng)的問題，主要是載冷系統(tǒng)蓄能技術(shù)還有冷熱動平衡控制技術(shù)。
第五個持續(xù)穩(wěn)定的協(xié)同供應(yīng)，再就是整倉以及低氣壓這樣一個氣壓模擬，由于時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試行業(yè)的發(fā)展，公司雖然時間不長，我們也提出了很多非常有價值的技術(shù)迭代和更新，感謝各位，我的分享就這些，謝謝。
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