图为上海氢晨新能源科技有限公司麦建明博士作主题演讲

8月25日，由中国电池工业协会、电池中国网联合主办的“2023氢能与燃料电池技术及应用国际峰会”在中国上海隆重举行。

上海氢晨新能源科技有限公司麦建明博士作题为《超大功率电堆技术及进展》的主题演讲。

以下是发言内容实录，未经嘉宾审阅：

麦建明：今天的报告内容主要分成三个部分：第一个是想讲技术方面，第二部分是从产品方面，第三个部分在产品应用。

要做大功率的电堆其实还是有三个方面技术需要考虑的，功率大就是千瓦，千瓦乘以电压，电流的话就需要很大的单位截面积过很大的电流，第二个的话，燃料电池每一片单节电池工作电压都是在0.6、0.7伏左右的，所以就是说我们要实现大功率，一方面要大电流，一方面也要高电压，所以我们这边的话就需要有一个很高的叠片数。以前的话可能几十片十几片，现在我们要在交流领域用的话，要上百千瓦，我们整个电堆就需要有一个很高的叠装数，比如说我们这边要130-400节，我们之前150千瓦电堆就是400节的单元。

第三个我们这么大的堆要用到公共交通领域，那么多车的应用，我们就需要有一个很高的生产节拍，它和发动机不一样，发动机可能就是一个钢铁里面几个活塞装起来，但是里面的话是几百节这样的膜电极、燃料电池单体叠加在一起的，所以装配的时间、装配的质量形成了生产效率的瓶颈，所以我们现在工程就是这三个：大面积、叠装片数多，装备时间多，我们形成技术条件的话，对密封有一个难题。

第二个就是说像电堆，如果不注意的话可以看到电堆叠起来是弯的待会儿可以看到我们装起来是什么样的效果。第三个就是我们怎么提高效率，这边就是我们自主开发的设备。

我们这边的话核心技术主要是有四个方面，第一个就是从材料方面进行多材料体系高通量计算方式，第二个的话是高功率电堆，高可靠设计方法，第三个层叠结构高一致，叠装技术，第四个是批量制造，高效率产线。

首先第一个从材料方面，材料的话我们基于材料性能第一性原理来进行计算，一个方面从材料的原值尺度进行建模，再用电子的数据理论来预测膜电极导电性能，包括膜电极里面的，包括催化层里面的。

第三个包括表面原子动态吸附过程精准仿真，这个主要用在电堆是金属极板的话有腐蚀，所以我们这边要做表面的防腐。这方面表面原子动态吸附过程，其实就是表面保护层承接工艺的仿真工作。

第二个材料的制备与介质传输分子动力学，我们是通过纳米复合材料建模，模拟金属极板表面的导电以及防腐整个结构。

然后离子传输通道是动力学模拟，还有一个纳米微控传输，这个是膜电极里面质子传输过程的模拟。我们这边刚才也提到了多材料体系的高通量计算方法，什么是多材料体系呢？因为我们要在众多的材料里面选择合适的材料，来去提升我们电堆的性能，一方面是它的保护性能，一方面是它的反应活性，所以我们这边就采用高通量的材料制备。

第一个包括通过二元、四元的分离模板，通过不同的沉积工艺来一次性、大批量的做不同的材料，最终形成一个表面防腐层，然后再进行高通量材料表征，然后来探寻我们这边最终的合适材料方案。

第二部分就是大功率电堆的高可靠设计方法，我们是考虑了这几个方面，第一个极板它是一个把燃料电池里面的燃料和空气分布下来，提高它的分布质量以及提高反应的效率，我们设置了包括第一个是从流体进入流场的时候，有一个导槽复合式的分流，还有一个全物理场的3D燃料电池分析模型，我们是进行了建模设计。

最后通过这个流道设计分析，来提升它的包括强化二次增强排水，来实现这个性能的提升。燃料电池因为里面一方面是氢气和空气电化学反应，但是我们只需要它是一个电化学反应，而不是直接让它烧起来，爆炸一下，所以在这里面氢气是作为一个很容易泄露的介质，我们就需要考虑它的微观泄露模型，考虑它的密封性能安全问题。

一方面我们建立了微观泄露模型，还有密封装配过程的仿真设计，从材料方面以及它的结构方面来提升它的整个密封以及安全性。电堆刚才也说过了它是一个大功率的电堆，需要有很多的膜电极、双极板包括电池单元结合起来的，这些结合起来并不是说用个胶水粘起来就可以了，我们是通过这个叠片安装，外面就可以看到这里有一圈的密封，包括像这里的气孔密封、问题场密封这方面都有非常多的密封路线，这些密封路线在我整个电堆装配起来之后，如果是一本书放在一起就很平，如果是一片东西都起来，它中间就很容易会存在一些偏差，这些偏差就会导致密封的失败。

在这里面我们就通过快速检测以及形态匹配，然后来实现膜电极和双极板，它的高度分配的分组，通过它的分配来使得这几百片在一个电堆里面上面的压力分布，能够达到一个比较均匀、比较理想的效果，然后来提升本身的一致性。

最后我们在装配的过程，一方面是通过刚才所说的第二点结构设计，另外一方面就是工艺设计，我们对它的电堆装配过程进行了一个设计，包括元件的工差对此进行了一些分析，在我们装配的时候设计了一面六感的定位方式，这个是极板，两边就是通过定位感在装配的实施来实施定位，一方面是横向定位，一个是纵向定位，其实就是说我们现在这边设计的端板，并不是说看到哪边结构强，我们这个端板设计的时候，也是充分考虑到了这个，因为中间是叠装起来的，所以中间每一片膜电极怎么样表面压力分布，针对这个压力分布来进行一个里面的参数设计，同时来使得层间接触力的衰减，来得到一个优化。

这边就是说我们这边还通过批量制造高效的柔性产线，来实现电堆本身密封性快速的测试，包括产线上的，包括上面一些尺寸的检测，这些检测一方面保证了我们零件的质量，包括装配的质量，另外一方面这些技术使得测试的效率得到提升。

这个是我们这边在装配的时候，刚刚视频里面看到一个自动装配的台子，这个就是我们这边针对自对装配的台子，进行了一个仿真分析、设计模拟，包括移动方案之类的。通过这些运动方案轻拿轻放，优化了这个极板以及里面的一些核心单元，在装配时候的一些动态，使得举放更加平稳，由此可以实现我们这个大功率电堆，大家可以看起来这个堆装起来边上都是一条直线，比刚才弯的要好一些。

我们这边就通过很多方面的，包括我们从材料、结构、工艺包括这些动态进行一些仿真分析，包括一些优化之类的，来达到最终大功率电堆的堆心，大家看到我们电堆的时候都只有一个外壳，大家都不知道里面长什么样，大概就是这样子，我们每一片叠在一起都是直的。

通过样这种方式电堆一方面可以达到很大的功率，另外一方面因为很多里面的电池都是一片一片叠在一起，就需要有一个一致性，通过提高这个一致性我们来，因为电堆本身就是一个木桶原理，有一块板子短了这块容量就少了，所以我们把这个木桶做的很齐，就可以在尽可能的情况下来实现这个大功率。

接下来我们看一下这些产品，我们其实在2、3年前主要还是在燃料电池电堆这方面的，我们从电堆这边入手，然后来逐步的做膜电结合催化剂，现在我们也是意识到行业的需求，行业的发展，现在光是有电堆是不够的，像刚才各位专家所提到的氢能，其实也是需要有电解水的产品，所以我们这边也是逐步来布局这个PEM电解槽的产业。

这个是我们目前的核心产品，我们之前最少的还是有到80甚至更小功率的电堆，我们目前主要的是针对这个乘用车一直到重型卡车开发了100千瓦到300千瓦的系列化燃料电池电堆，其中150千瓦应该是在市场上面见的比较多的一个系列，大部分的重卡用到的系统也是用我们这个电堆用的比较多，这个300型是3000千瓦电堆，这个其实是最新一代的产品，因为它的功率密度到6.2，比原来的3.5还要再高一些，虽然它的功率300千瓦比起150千瓦要翻了倍，但是体积上并没有比它大太多，大概就是大了一小圈。

我们这个电堆尤其是第二代的电堆，跟业内的标杆比起来，就是丰田二代的128千瓦，它的功率密度可以达到5.4千瓦每升，我们这个300千瓦的电堆峰值峰力可以达到300千瓦，除此以外我们的功率密度还是达到了6.2的水平。

当然我们的堆主要是用在车上面的，所以关于车用的一些要求，我们这边还是能达到，比如说低温存储、低温启动，包括绝缘、防水、冷热冲击、振动这些方面，我们都是经过了严苛的优化设计，包括实验验证的测试。

这个是我们燃料电池的一些应用，首先300千瓦电堆其实是目前全球最大的单体电堆，包括这个电堆交给我们的客户，发布了250千瓦的系统，像这样子我们的客户也是用我们的电堆，也是用在各行各业，包括高原试验、冬季标定试验。

这个就是在高原这边海拔5000多米的云南丽江进行高原试验，是我们客户这边用我们的堆做出来的整车试验。这边是在东北漠河进行的高寒试验，温度到负42度，在这边其实他们就是用我们的堆来做他们的车，做出来预计运行比较良好。

我们大功率电堆这个产业化应用还是有比较多的，首先在前年和去年的时候，我们这边作为国内的金属板电堆也是有各位友商的支持，我们也是拿到金属板这边出货量第一。

用我们的堆做出来的系统也是蛮多的，包括100千瓦系统，包括132千瓦的系统，包括北京、上海、深圳很多同行、友商都是对我们有非常大的支持。

这个是我们目前统计过的，已经上公告的车型目前大概有50余款商务公告的车型，累计交付被装车的电堆大概是有2000余套，里面用到的话除了SUV以后，包括林岗那边也是有公交车，当然用得最多的主要还是像49吨重卡、42吨重卡。

这个是在雄安新区100台国内首个批量应用的重卡，当时也大批量的用到了我们的电堆。这个是国家示范城市群在上海这边的一个；这个就是在上海这边林岗新区在去加氢站的路上加氢的。也是林岗那边，他们用的都是我们的电堆，深圳那边也有。此外林岗这边也还是有包括渣土车，刚才说的是公交车，这边的话渣土车，渣土车的话用我们的电堆还是比较合适的，因为我们电堆功率还是比较大的。

这个是在山西那边有300多辆重卡里面有一部分是用到了我们的电堆，客户给我们的反馈的话我们的电堆用得还是可以的。除此之外还有6吨氢能装载机，这里还有全球最大吨位的氢能源矿卡，还有这个是港口区无人驾驶的HUV，这边的话都是用到了氢能源实际应用的案例。

除了在路上跑的还有在轨道上面跑的，比如说这辆汽车用的是燃料电池电堆，这个的话就是内蒙古包头那边，我们这边的话有一个碳中和园区，目前规划是在要在那边做风电光伏可再生能源，来做电解槽制氢，这个是海上风电光伏应有的一些场景。

今天的报告就结束了，谢谢各位。