上海氫晨易培云:我國已掌握除膜之外的氫能電池全產業鏈技術
2021年06月15日14:50

  新浪財經訊 6月3日,東方證券聯合申能集團於上海舉辦“碳中和背景下的可能發展—鋰電與氫能發展展望”論壇,邀請行業領軍企業、產業核心專家、資本市場投資人共聚,探討碳中和背景下的能源轉型新路徑、產業發展新趨勢和投資新機遇。

  上海氫晨總經理易培雲發表《電堆如何實現國產技術與市場的雙突破》主題演講。

  在第四次能源革命中,氫能佔據著重要位置,但與鋰電在新能源汽車中的應用相比,氫能源的開發和利用正處於起步階段。

  易培雲在主題演講中表示,如果能夠把氫能的來源解決了,把風能和太陽能能夠和它一起綜合利用起來,這樣就有可能帶來一次新的能源革命。這裡面核心的問題就是燃料電池,就是把氫轉換成電,還有把電轉換成氫。

  “預計全世界到2030年的時候要推廣1000萬輛氫能源車。氫能源主要是做中遠途、中重型商用車,比如說船舶用氫能源很適合,它的能量密度相對來講更高一些。”

  易佩雲表示,燃料電池是繼鋰電之後一個新賽道,我國已經掌握了除了膜之外的全產業鏈技術,將來車的車殼已經不賺錢了,動力系統賺錢,電堆在裡面相當於汽車的發動機,相當於鋰電池裡面的電池包。

  他介紹稱,當前適用於汽車的電堆主要採用質子交換膜燃料電池,經過交通大學研究團隊的創新,實現了電堆的量產,解決了腐蝕的技術難題,提高了抗震性能,是當前氫能源車的主流技術。

  以下是演講實錄:

  易培云:我們氫能相對於鋰電來講,應該說還是一個小孩,還是剛剛起步,我也是頭一回到資本界來做報告,今天有點誠惶誠恐,到陸家嘴來做報告是頭一回,我目前是交大的教授,我們做技術研究做了15年。

  交大做這個技術從05年開始,從我開始讀大學的時候,一直到現在我的博士畢業,還在做這個事。15年開始我們做產業化的工作。這個裡面提了一個問題,我這個題目做了一個答案,大功率電堆目前的技術挑戰以及產業化在什麼地方,我的彙報分為四個方面,大功率電堆挑戰,第二和第三個是答案,第四個是氫晨在這塊做的一些產業化的實踐。

  從整個能源角度來講,現在學術界提的比較熱的是第四次能源革命,就是把氫能、風能和太陽能放在一起,作為一個非化石能源。能源最早期是純碳,目前來講是煤、石油、天然氣,就是CH,整個碳達峰、碳中和的核心是C越來越少,H越來越多,如果能夠把氫能的來源解決了,把風能和太陽能能夠和它一起綜合利用起來,這樣就有可能帶來一次新的能源革命。這裡面核心的問題就是燃料電池,就是把氫轉換成電,還有把電轉換成氫。

  實際上全世界做氫能也是非常火,預計全世界到2030年的時候要推廣1000萬輛車。氫能源主要是做中遠途、中重型商用車,比如說船舶用氫能源很適合,它的能量密度相對來講更高一些。

  這個圖上我列的這些東西都具有投資價值,這是整個產業鏈上核心的環節。我們為什麼說燃料電池是繼鋰電之後又一個賽道出來,因為從燃料電池角度來講,目前這張圖上面,幾乎所有的東西都掌握在我們國家手裡,目前膜還是在國外,如果膜突破的話,全產業鏈就掌握了。將來車的車殼已經不賺錢了,動力系統賺錢,電堆在裡面相當於汽車的發動機,相當於鋰電池裡面的電池包。我們這個相當於油箱,在氫能源行業裡面分兩塊,一個是燃料電池系統,一個是儲氫系統。

  整個產業鏈再梳理一下,這個產業鏈更長,我們現在申能,東方證券相當於是申能全資的公司,上海氫晨,申能是我們的第一大股東,包括申能在這個產業鏈上投了催化劑、電堆、雙極板。現在要借助申能的優勢,包括中石化、中石油都在解決氫氣的來源問題。氫氣最終來自於綠氫,要解決氫氣從哪裡來,還有解決車的,還要解決用的問題。所以做氫能源的人比較辛苦,因為產業沒有起來,你什麼事情都要操心。

  這個電堆是一個發動機,主要有兩種技術路線,燃料電池有很多種,我們講的只是適合於車用的,質子交換膜燃料電池,質子交換膜燃料電池又有兩種技術路線,這是一個電堆,這是一個雙極板,在這一側是進空氣,空氣裡面氧氣,這一邊是氫氣,氫氣在催化劑作用下面產生氫離子。這個板原來用的是石墨,來進行導水、導氣、導電。交大通過新的方法,通過衝壓的方法,因為我們本身是做汽車車身製造的,我們通過這個板3秒出一片,我們一年就可以做到1000萬片,就具備量產的能力,這當然是好事。它裡面的難點是要解決腐蝕問題,我是從08年開始做這個腐蝕,目前把這個東西解決以後,它的優點就比較多了,它的材料比較薄,第二個它的傳熱系統比較好,它的冷啟動特別快。另外因為汽車是震動的,它的抗震性能好,比較適合批量化製造,目前個技術是屬於主流的技術路線,包括豐田、本田、現代,成用是金屬板的天下。另外從商務車角度來講,豐田、奔馳都走這個技術路線。

  這裡面很難,比如說150千瓦的電堆,能夠帶動一個18噸左右的重卡,目前世界上最大的是150千瓦,大概有400個雙循環,大概1700多個零件,它的可靠性很低,1000多個密封面加上1500米長密封線,它的可靠性面臨很大的挑戰。這個裡面怎麼來解決,我們認為這個裡面要通過數字化設計,包括智能製造、柔性生產的方法來解決。

  首先這個數字化的設計比較難,我們這個電堆,做電堆的人必須要懂動力系統,一個商用車的發動機和一個乘用車的發動機是不一樣的。對於商用車來講要求氫耗很低,壽命很長,動力系統差一點也沒有關係,這個出發點不一樣,導致了設計電堆的時候考慮不一樣。你有一個設計目標之後,你要懂塗層、密封,一個好的產品一定要站在用戶的角度考慮這個問題,這樣才能做出一個真正好的產品。

  整個這張圖,上海氫晨80個人左右,但是有13個博士,這個電堆在設計的時候是跨尺度和多學科設計的東西,高校裡面什麼學科都有。首先這個電堆,每一塊極板是毫米級別,到塗層200納米,到催化劑就是i的級別,所以它的尺度跨的特別大。在我們公司,我們從微米技術怎麼設計、納米技術怎麼設計、宏觀怎麼設計的,這是一個維度。第二個維度,學科跨度很大,我是在機械學,原來搞衝壓的,現在天天搞腐蝕去了,去年我們還發化學的頂級期刊。以前最早這個電池,全世界最多隻能做到130節,兩三千瓦就滿足了,再多的時候它的分配就不均勻了。我們通過設計,保證電堆從第1節到第400節分配很均勻,這是很難的,你要保證進出進口的壓差、溫差、氧濃度,這些是非常難的東西。像我們商用車質保八年,它的冬天是什麼特性,夏天是什麼特性,溫度高的時候是什麼特性,溫度低的時候是什麼特性,這些材料的特性會受到很大的影響,這裡面的材料特性非常多,這些材料的特性非常複雜。

  舉個例子,我們怎麼來設計流場,必須要做大量的仿真設計,第一個流道和第80個流道,通過流體的仿真,氫氣通進去以後,我要保證這個氣體分佈均勻,我要保證氧濃度分佈滿足我的要求,通過仿真計算,我們就能把這個性能提高17%,這是沒有增加任何材料的情況下提升17%。

  另外把電堆做大,我們現在做到400節,400節不是極限,還可以做的更大,我們做了很多進口和出口分配管的設計,要保證每一節之間要做的很均勻。還有就是工作點的設計,比如說對於商用車、乘用車,在設計電堆的時候設計多大面積,這個都有講究的,這個是我們說的工作點的設計。

  還有密封的設計,電池是一個串聯的東西,中間有一節出現漏氣漏水,整個電池就完蛋了。另外這個密封結構怎麼來設計,你在震動的情況下面,一震動可能出現錯位,最終都導致滑移,另外尺寸設計也非常關鍵。

  第二個講智能製造,前面講了尺寸的設計,桑塔納2000引進國內的時候,那時候汽車的車身出現很多問題,甚至出現車門關不上去,我們拿鎯頭敲進去。電堆也是一樣,如果設計不好的時候會壓上去,會導致有些節過壓、有些節壓力不夠,我們設計的時候就要考慮各個零部件存在誤差,你要設計好你的偏差多少,密封圈的厚度偏差多少,這些東西設計完以後,你才能夠得到一個準確的尺寸鏈,我們要講一個容差設計,最後裝在一起的時候能夠保證這個電堆精度是合格的。

  有了這些東西以後,我們還有更多的手段,比如說在設計電堆的時候,我們能夠監測到電池內部的電流密度怎麼分佈,它的氣體流量均勻不均勻,最終我們能夠做SCU來控製電堆。就像我們人一樣,我們可以去做體檢,持續監控人的狀態。同樣一個電堆在不同的系統上用它的壽命也是不一樣的,所以我們要做一個壽命監測,我們隨時能告訴這個系統這個地方有沒有水過多,這是能夠對生命週期進行監控,能夠對它的控製策略做一些幫助,這樣能夠提高電池的壽命。包括將來在大批量製造的時候,我們雖然說電池量很少,但是我們做的技術一定是可以打批量生產的技術,我們現在做數據庫,做的越多,你的分析就越有利。最終我們開發了很多裝備,大大小小有40多種裝備,其實在裝備行業有非常具有投資價值。

  另外我們在臨港建立了示範車間,從親密檢驗、精度檢驗,配對,數據處理。最終所有的電堆全部都有二維碼,我的電堆如果出了問題,我可以知道電堆是什麼時候做的,然後拆開來,我能知道材料是什麼批次的。目前把這個原型路線已經驗證完了,將來做到5萬台機,這個路線是可以複製的。尤其我們做很多後台的數據處理系統,從設計信息到裝備、產線、運營的數據,都能夠做一個後台的整合,積累的數據越多,將來這個產品的競爭力越強。甚至我們在公司內部將來能夠看到所有電堆在什麼時候運行。

  第四個,簡單會標一下我們氫晨產業化的情況,氫晨源自於交大十幾年的研究成果,我們主要是在做電堆,我們不往前做系統,也不往前做核心零部件,最終我們的定位定在把核心電堆做好,系統如果一做,很多人不願意跟你合作了,上遊的零部件,我找核心供應商來做。

  我們現在在臨港的產線上面,關鍵的工位都已經實現了自動化的過程,這個自動化不難,自動化最難的是工藝,你要知道每個環節要控製多少東西,這個位移控製多少,這個動作都很容易的。這是我們的一些核心產品,從80到100、120、150都有了。當然這個電堆,任何一個產品它的競爭力都取決於它的性能、壽命和成本,我們做這款電堆裡面,電堆等級裡面應該是全世界最大的,150千瓦,同時它的性能我們做了很多考慮。壽命不單單是塗層、催化劑,也跟你的設計有關係,同樣的材料、部位的,你的冷卻速度不一樣,你的壽命影響有很大,包括製造精度也有很大關係。另外低成本,低了我自己的成本下去,還要讓我的客戶成本下去,現在很多主機廠用了我們的電堆,給了一個中肯的評價,易老師你的電堆比較好用,他不用費很大的勁就能把你的電堆用好。包括具體的性能,一個電堆要上車的話,要做一百多個測試。

  包括穩定性、一致性非常重要,電堆電池性能好一點、差一點沒那麼重要,重要的是要一致性好,因為你400節只要有一節掉下來了,這個電池就廢了,所以這個一致性,我們現在能夠做到8.5毫伏,跟豐田處於差不多一個水平。

  包括壽命,壽命要通過流程的設計,保證這個水汽分配的均勻性,同時要保證它的密封的可靠性,同時還要保證材料的壽命。這是兩個核心部件。這是所有的驗證,這些都通過了。包括低成本,這是目前的一些使用案例,從49噸重卡到32噸的中重卡,到公交、渣土車,全國量還不大,總共幾百台。

  這也是我們交大跟申能集團一起在臨港做的一個氫產業園,最早是2018年左右,我當時拿PPT跟他們講,後來忽悠了兩三年總算動了,這個地方也是發改委的一個地方合作示範區,前幾天市委常委到我們那裡視察,我們在臨港那裡做1500台車,基本上可以孵化兩三個上市企業。包括整個產線、基金、運用場景都已經打開了,目前馬上要上線10輛公交車。

  最終非常感謝,第一次到這麼高端的場景,也請各位專家、各位領導有空到臨港去給我們多多指導,謝謝大家。

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