金屬極板電堆具有功率密度高、冷啟動(dòng)性能好、抗振性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，是未來車用燃料電池的主流方向；同時(shí)金屬極板采用沖壓、焊接、涂裝等工藝，更符合汽車行業(yè)發(fā)展規(guī)律，易于實(shí)現(xiàn)大批量、低成本制造。本文分享上海氫晨新能源科技有限公司(以下簡稱上海氫晨)大功率金屬極板燃料電池堆核心技術(shù)。

燃料電池電堆由數(shù)百片雙極板、膜電極、密封元件等關(guān)鍵部件層疊裝配而成，電堆設(shè)計(jì)、部件匹配、電堆可靠性等方面面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。上海氫晨核心團(tuán)隊(duì)源自上海交通大學(xué)，經(jīng)過近10年的持續(xù)研發(fā)，突破了系列核心技術(shù)。

上海氫晨專為100kW系統(tǒng)開發(fā)的H2100A型電堆

近年來，上海氫晨專注金屬極板電堆，開發(fā)出了45kW(面向30kW系統(tǒng))、80kW(面向60kW系統(tǒng))和120kW(面向100kW系統(tǒng))的系列化電堆，在電池性能、可靠性與成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

上海氫晨專為60kW系統(tǒng)開發(fā)的H280C型電堆

高功率密度電堆設(shè)計(jì)

為提升集成緊湊性并減小冷卻阻力，上海氫晨新一代電堆設(shè)計(jì)將冷卻與進(jìn)氣走向垂直布置。如下圖所示，傳統(tǒng)的Co/Counter-Flow設(shè)計(jì)存在水-熱平衡問題，導(dǎo)致電流密度(反應(yīng))分布不均勻，造成局部過熱、水淹/欠氣等，影響電池性能和壽命，并對(duì)系統(tǒng)控制提出更高的要求。為解決此問題，上海氫晨開發(fā)了參數(shù)化流道設(shè)計(jì)工具和分區(qū)電流密度測(cè)試平臺(tái)，采用領(lǐng)xian的Wavy Cross-Flow設(shè)計(jì)，通過反應(yīng)氣/冷卻流道變徑和流向控制，解決了高電流密度工況水熱平衡問題。新一代Wavy Cross-Flow設(shè)計(jì)有效提升催化層氧濃度43.5%，通過二次流增強(qiáng)排水效果減少GDL內(nèi)水淹風(fēng)險(xiǎn)，并提升了換熱效率，具體結(jié)果見下表。

新一代Wavy Cross-Flow流場(chǎng)與傳統(tǒng)Co/Counter-Flow流場(chǎng)設(shè)計(jì)對(duì)比

                   傳統(tǒng)Co/Counter-flow流道分區(qū)電流密度測(cè)試結(jié)果@1./c㎡

新一代Wavy Cross-Flow流道分區(qū)電流密度測(cè)試結(jié)果@1./c㎡

新一代Wavy Cross-Flow流道設(shè)計(jì)后電流密度分布如上圖所示，較Co/Counter-Flow設(shè)計(jì)均勻性提升超70%。基于此技術(shù)，上海氫晨專門開發(fā)了面向下一代補(bǔ)貼政策的H280C型電堆，電堆額定功率80kW(系統(tǒng)60kW)。如下圖所示，相同膜電極條件下電堆性能提升17.7%，體積功率密度(含一體化端板)達(dá)2.5kW/L，額定工況電堆效率達(dá)53%，怠速工況達(dá) 67%。

基于新一代Wavy Cross-Flow流場(chǎng)設(shè)計(jì)的上海氫晨H280C型電堆性能提升

高可靠性和耐久性

通過內(nèi)部互鎖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊連接方式優(yōu)化，H280C模塊設(shè)計(jì)滿足車用SAE J2380抗振要求。下圖分別給出了電堆模塊的振動(dòng)變形和各階共振頻率仿真結(jié)果，在考慮氣體/裝配壓力和不考慮氣體/裝配壓力的工況下均大于200 Hz。

上海氫晨H280C型電堆模塊可靠性-振動(dòng)變形

上海氫晨H280C型電堆模塊可靠性-各階共振頻率

此外，H280C電堆模塊防水防塵性能達(dá)到IP67等級(jí)，具有良好的絕緣性和EMC特性。電堆經(jīng)過嚴(yán)格的快速變載測(cè)試，可在加載速率60 A/s(超過15 kW/s)情況下穩(wěn)定運(yùn)行，整堆額定工況節(jié)電壓波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差小于10 mV。更為重要的是，該型電堆的金屬極板涂層、催化劑和密封材料均通過車用高壓、高腐蝕環(huán)境壽命老化實(shí)驗(yàn)，結(jié)合啟停、變載等控制策略優(yōu)化，保證電堆達(dá)到車用耐久性要求。

良好環(huán)境適應(yīng)性

電堆實(shí)際運(yùn)行條件往往受到運(yùn)行環(huán)境的影響，因此電堆的環(huán)境適應(yīng)性尤為重要。下圖為H280C型電堆在高低溫狀態(tài)下的變形情況，仿真結(jié)果表明在不同外部環(huán)境下均能達(dá)到使用要求。因此，在氣量、溫濕度偏離標(biāo)準(zhǔn)條件的情況下，H280C電堆仍能保持正常運(yùn)行。

溫度對(duì)變形的仿真計(jì)算結(jié)果-低溫變行

溫度對(duì)變形的仿真計(jì)算結(jié)果-高溫變形

下圖給出了H280C型電堆的性能敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在操作條件波動(dòng)的情況下，電池性能波動(dòng)小于10 mV。電堆模塊先后經(jīng)歷材料級(jí)、零部件級(jí)、電堆級(jí)的環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)化，達(dá)到-20℃冷啟動(dòng)(無輔熱)和-40℃低溫存儲(chǔ)，具有良好的溫濕度適應(yīng)性。

上海氫晨H280C型電堆模塊不同工況敏感性：(1)標(biāo)準(zhǔn)工況；(2)計(jì)量比增加；(3)計(jì)量比減少；(4)低增濕；(5)高增濕；(6)溫度變化

良好環(huán)境適應(yīng)性

上海氫晨H280C型電堆采用多功能一體化端板設(shè)計(jì)，兼顧歧管分配、輕量化和絕緣效果。如下圖所示，電堆模塊總體流量極限偏差陰極＜5%，冷卻＜10%；綜合考慮輕量化、剛度和成型性的一體化設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖，電堆模塊裝配完成后變形量小于0.05 mm。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，通過一體化設(shè)計(jì)有效減小電堆模塊的體積和重量。此外，外殼主體綜合考慮強(qiáng)度和裝配便捷性，同時(shí)配備CAN通訊的CVM模塊，便于零部件選型和系統(tǒng)高度集成，系統(tǒng)zui高xiao率可達(dá)58%。

H280C型電堆一體化端板技術(shù)-整堆冷卻流量分配

H280C型電堆一體化端板技術(shù)-端板變形分析

批量制造與質(zhì)量控制

基于高速?zèng)_壓超薄金屬雙極板、膜電極R2R批量化解決方案，配合自主開發(fā)的電堆自動(dòng)化裝配平臺(tái)，集成大量在線/離線檢測(cè)系統(tǒng)，保證產(chǎn)品的高質(zhì)量快速批量制造。如下圖所示，上海氫晨建立了電堆層疊式裝配模型，分析部件制造誤差、裝配誤差、定位誤差對(duì)接觸壓力影響規(guī)律，揭示邊緣效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理，形成層疊式裝配容差分配方法。目前，上海氫晨可以將整堆側(cè)邊裝配誤差控制在0.2mm以內(nèi)，厚度方向誤差控制在0.5mm以內(nèi)，如下圖(右)所示。通過電堆自動(dòng)化裝配平臺(tái)將裝配時(shí)間縮短到20-40分鐘，終目標(biāo)是開發(fā)全自動(dòng)的智能制造生產(chǎn)線，生產(chǎn)節(jié)拍3分鐘/臺(tái)電堆。

電堆裝配質(zhì)量控制技術(shù)(左:電堆層疊式裝配模型；中:裝配容差分配；右:自動(dòng)化裝配的裸堆)