高密度电堆数字化设计与智能制造

金属板电堆拥有体积小、重量轻、功率密度高等优势，被认为在未来燃料电池汽车上的应用潜力大，但囿于当前国内技术不够成熟，在市场上的实际应用较少。如何攻克高密度金属板电堆的技术挑战，是摆在国内企业面前的一道难题。

7月3日，由高工氢电、高工产业研究院主办，以“风口上起舞，刀口上前行”为主题的2019高工氢电产业峰会在上海浦东嘉里大酒店3楼浦东厅盛大开幕，来自车企、电堆及系统、核心材料、关键零部件及设备、氢气制储运等全产业链各个环节的超500位企业高层共聚一堂，围绕产品技术及行业发展趋势展开深度探讨交流。

在会议上，上海氢晨新能源科技有限公司(下称“上海氢晨”)总经理易培云博士发表了“高密度燃料电池电堆数字化设计与智能制造”的主题演讲。

众所周知，燃料电池电堆由数百片双极板、膜电极等关键部件装配而成，是燃料电池汽车的发动机，直接影响着整车性能表现。从成本角度来看，电堆约占燃料电池系统成本的60%，占整车成本的30%，其能否实现规模化智能生产，也直接关系到整车成本的大幅降低。

易培云表示，金属板电堆具有功率密度高、冷启动快、抗振性能好、适合于大批量制造等优势，是未来车用燃料电池的发展趋势。不过，当前金属板电堆要实现高功率密度、超长寿命、超低成本，仍然面临着较大的技术挑战。

“电堆性能是设计出来的，电堆寿命与装备工艺密切相关，同时能否实现新的制造模式直接关乎成本的降低。”易培云说，企业需思考的是，该如何构建比功率电堆构型，如何提升电堆装配一致性与鲁棒性，以及如何实现电堆与核心部件的智能制造。

针对这些问题，易培云在会议现场给出了很多建议。他认为，实现高密度电堆数字化设计与智能制造需要把握几大关键技术：一是电堆涉及多学科，比如机械工程固体力学、工程热物理流体力学、电化学分子动力学等，要做好“跨尺度”联合仿真技术；

二是层叠式装配界面匹配与容差分配技术：研究极板与膜电极组件间的微观接触行为，建立电-力耦合模型与密封接触模型，通过多目标优化实现金属极板与膜电极的有效匹配；

三是层叠式装配界面匹配与容差分配技术：建立电堆层叠式装配模型，分析部件制造误差、装配误差、定位误差对接触压力影响规律，揭示边缘效应产生机理，形成层叠式装配容差分配方法；

四是电堆智能检测与快速诊断技术：引入高速摄像在线检测电堆水气传输特性，引入智能传感等实时监测电堆装配和使用过程的接触压力均匀性、电流分布均匀性等状态；开发大功率电堆气体流量分布测试系统，诊断电堆密封状态；采集电堆使用过程的温度、湿度信息，实现电堆全寿命周期健康状态监测。

五是高密度电堆智能制造技术：基于5G技术、RFID、传感器和服务架构，依托物料唯一身份编码与存储数据库，实现燃料电池部件和电堆的自动识别、配送、匹配、装配、监控。

资料显示，上海氢晨核心技术源于上海交通大学10余年的研究成果，主要聚焦于高比功率燃料电池电堆研发与生产。公司研发团队不局限于电堆技术，而是对电堆的核心材料、核心部件乃至燃料电池系统都有全面深入的理解，拥有很强的正向设计能力。

目前上海氢晨的核心产品有H-Rise05型电堆——峰值55kW，功率密度2.5kW/L，适合30kW车用动力系统；H-Rise06型电堆——峰值103kW，功率密度3.3kW/L，适合60-80kW车用动力系统；空冷无人机电堆——峰值1.6kW，系统重量功率500W/kg，续航4小时等。