Uno sguardo al sistema a celle a combustibile "Performance Warrior"

Ciò significa che l'industria ha ora una risposta più chiara alla domanda fondamentale: "Cos'è un buon sistema a celle a combustibile?". Il sistema a celle a combustibile risponde a questa domanda con azioni concrete. Concentrandosi sui due scenari principali, ovvero quello automobilistico e quello della generazione di energia, il Dott. Hou Junbo ha guidato il team tecnico nell'ottimizzazione della progettazione e nell'iterazione dei processi relativi a indicatori chiave come la stabilità del sistema, l'affidabilità, il consumo di idrogeno, il tasso di guasto e la durata, realizzando due opere di eccellenza per l'industria: un sistema di motore per autoveicoli e un sistema di generazione di energia con accumulo di energia a idrogeno.

Nel settore automobilistico, abbiamo completato lo sviluppo di una serie di sistemi di motori a celle a combustibile con una potenza compresa tra 30 kW e 235 kW, ampiamente utilizzabili in diversi veicoli come autovetture, autobus urbani, autocarri leggeri, medi e pesanti, carrelli elevatori, rimorchi, macchine edili, ecc.

Motori a celle a combustibile per autoveicoli (70 kW a sinistra, 235 kW a destra)

Tra questi, 17 autobus a celle a combustibile a idrogeno equipaggiati con sistemi di bordo HYPSR-04 da 70 kW hanno recentemente fornito dati operativi impressionanti: questi 17 autobus sono in servizio continuativo da quasi un anno e mezzo nella contea di Jiashan, città di Jiaxing, provincia di Zhejiang, con un chilometraggio totale di 800.000 chilometri e un consumo medio di idrogeno di 3,7 kg/100 km, che è di gran lunga inferiore alla media del settore di 5 kg/100 km, dimostrando vantaggi significativi nel contribuire alla trasformazione del trasporto pubblico di Jiashan verso il risparmio energetico e la tutela ambientale.

Autobus della contea di Jiashan

Oltre al costo di acquisto, il consumo energetico per 100 chilometri è uno degli indicatori economici più importanti di un veicolo. Per raggiungere la commercializzazione dei veicoli a celle a combustibile, oltre a promuovere costantemente la riduzione dei costi in tutte le fasi della filiera, è fondamentale ridurre i costi di esercizio del veicolo e il consumo di idrogeno per migliorare l'efficienza energetica. I dati operativi relativi al basso consumo di idrogeno dimostrano la solidità tecnologica del sistema a celle a combustibile e l'adeguatezza della potenza erogata al veicolo.

Inoltre, il basso tasso di guasti rappresenta un altro punto di forza di questa serie di autobus in servizio attivo. Il sistema a celle a combustibile a idrogeno da 70 kW non solo soddisfa le esigenze del servizio quotidiano, ma è anche in grado di fornire un'erogazione di potenza stabile ed efficiente anche con un utilizzo prolungato e frequente, senza guasti significativi, a dimostrazione della sua adattabilità a condizioni stradali complesse e a condizioni climatiche variabili.

"Il chilometraggio totale è di 800.000 chilometri e il consumo medio è di soli 3,7 kg/100 chilometri. Il funzionamento impeccabile in diversi ambienti è la migliore prova dell'affidabilità e della praticità della nostra tecnologia a celle a combustibile a idrogeno e dimostra anche l'enorme potenziale di questa tecnologia. L'applicazione delle celle a combustibile a idrogeno ha un impatto di vasta portata sulla città di Jiashan e sull'intero settore del trasporto pubblico, e fornisce anche un importante riferimento per altre città che desiderano adottare autobus a energia pulita."

I veicoli a energia alternativa si trovano sempre ad affrontare interrogativi sulla stabilità e l'affidabilità nelle prime fasi di sviluppo, e i veicoli a celle a combustibile a idrogeno non fanno eccezione. Ogni lotto di veicoli lanciato dalle aziende produttrici di celle a combustibile deve superare non solo test di performance di mercato, ma anche la verifica della fiducia delle amministrazioni locali, degli operatori e persino dell'intero settore.

Al fine di realizzare prodotti di cui il mercato possa fidarsi e garantire la stabilità e la durata dei sistemi a celle a combustibile per autoveicoli, Liyuan Technology ha dedicato sforzi e competenze straordinarie alla progettazione dell'architettura di sistema, al meccanismo di diagnosi dei guasti e al monitoraggio dello stato operativo, assicurando che ogni aspetto sia curato nei minimi dettagli, sfruttando la potenza della scienza e della tecnologia per costruire le fondamenta della qualità e rendendo la sicurezza e l'affidabilità un segno distintivo del prodotto.

"Abbiamo creato un sistema di diagnosi dei guasti all'interno del sistema di controllo del motore, in grado di diagnosticare rapidamente le principali tipologie di guasto, come pressione anomala del percorso dell'aria, eccessiva differenza di pressione idrogeno-aria, pressione anomala dell'idrogeno, bassa pressione del circuito di raffreddamento, alta temperatura del liquido di raffreddamento e blocco della valvola di scarico. Abbiamo inoltre predisposto un meccanismo di risposta protettiva per i guasti che potrebbero causare gravi conseguenze, al fine di ridurre al minimo i danni al sistema", ha sottolineato il Dott. Hou Junbo.

Allo stesso tempo, ogni sistema a celle a combustibile di bordo è integrato con TBOX (vedere la figura seguente), che può monitorare e avvisare in tempo reale il sistema di controllo in caso di degradi delle prestazioni su una scala temporale più lunga, e dispone di corrispondenti strategie di ripristino dei guasti. Il sistema di caricamento dati in tempo reale basato su TBOX può monitorare da remoto lo stato operativo del sistema motore a celle a combustibile e realizzare la risoluzione dei problemi da remoto. Allo stesso tempo, il set di dati operativi in ​​continua espansione può essere utilizzato per analizzare, apprendere ed estrarre informazioni sui guasti in esso contenuti e migliorare continuamente il meccanismo di diagnosi intelligente basato sui dati.

Sistema di monitoraggio remoto dei terminali TBOX

Non c'è dubbio che, grazie all'elevata stabilità, al basso consumo di idrogeno e alla durabilità del sistema a celle a combustibile, questa "nuova arrivata" nel settore abbia aperto le porte a un mercato dei veicoli a idrogeno da trilioni di dollari.

Oltre alle applicazioni automobilistiche, anche le applicazioni di generazione di energia fissa rappresentano uno degli scenari applicativi in ​​continua evoluzione. GGII prevede che entro il 2030 la capacità installata cumulativa di generazione di energia tramite celle a combustibile in Cina raggiungerà i 5 GW e che il mercato incrementale per i sistemi di generazione di energia a celle a combustibile dal 2023 al 2030 supererà i 24 miliardi di yuan.

Concentrandosi sulle quattro prestazioni chiave di modularizzazione, intelligenza, stabilità, durabilità e affidabilità, i sistemi fissi di generazione di energia sono già entrati nel mercato dello stoccaggio di energia a idrogeno.

La potenza nominale del modulo di generazione di energia dell'armadio è di 100 kW e l'uscita è di 380 V CA; la potenza nominale del modulo del container è di 1 MW e l'uscita è di 10 kV CA.

Modulo di generazione di energia a forma di armadio (a sinistra), modulo di generazione di energia a forma di container (a destra)

Il modulo di generazione di energia può funzionare in modo indipendente e supportare l'espansione in parallelo con più moduli. In combinazione con apparecchiature di trasformazione e unità di accumulo di energia, consente di realizzare in modo flessibile una capacità elastica di generazione di energia distribuita da 100 kW a 100 MW. Presenta le caratteristiche di produzione standardizzata, trasporto integrato e semplice installazione in loco.

In secondo luogo, ciascun modulo di generazione di energia è dotato di funzioni di controllo indipendenti e coerenti, che garantiscono l'intelligenza dell'intero sistema di generazione di energia al fine di raggiungere l'obiettivo di ridurre il consumo e l'attenuazione dell'idrogeno.

Il modulo containerizzato integra quattro sistemi a celle a combustibile. Il controller della microrete riceve comandi esterni e invia segnali di controllo a ciascun sistema a celle a combustibile e all'inverter. Quando più moduli operano in parallelo, i dati operativi di ciascun sistema a celle a combustibile vengono trasmessi a livello di modulo e collegati al sistema intelligente di gestione energetica in modo rapido e in tempo reale, consentendo una pianificazione centralizzata basata su cloud e la gestione e manutenzione da remoto.

Il sistema intelligente di gestione dell'energia è in grado di ottimizzare la potenza erogata da ciascuna cella a combustibile in tempo reale a livello di stack, migliorando l'efficienza media di ogni stack, riducendo il consumo totale di idrogeno del sistema e tenendo conto del vincolo del tasso di fluttuazione della potenza per ritardare l'attenuazione delle prestazioni dello stack. A livello di sistema, il sistema di gestione dell'energia ha la funzione di auto-adattarsi alla modalità di consumo energetico, che può abbinare automaticamente la modalità di generazione di energia ottimale in base alle caratteristiche di consumo energetico per evitare frequenti avviamenti e arresti, frequenti variazioni di carico e altre condizioni di elevata perdita.

In terzo luogo, le applicazioni di generazione di energia fissa hanno requisiti estremamente elevati in termini di stabilità e durata dei prodotti a celle a combustibile. Liyuan Technology ha apportato ottimizzazioni a livello di materiale, componente e sistema. Ad esempio, attraverso la selezione di materie prime chiave come PEM, GDL, catalizzatore e l'ottimizzazione strutturale dell'MEA, il team di ricerca e sviluppo dell'elettrodo a membrana ha sviluppato un elettrodo a membrana con una struttura a telaio a quattro strati, in grado di fornire l'MEA di lunga durata richiesto per le centrali elettriche fisse; ottimizzando le strategie di risposta del sistema in condizioni operative di avvio-arresto, carico variabile, carico alto/basso e altre, si evita la perdita di materiali come la membrana a scambio protonico, il catalizzatore, lo strato di diffusione del gas, ecc., e si prolunga la durata dello stack.

In quarto luogo, a livello di progettazione e controllo del sistema, vengono utilizzati in combinazione diversi metodi per migliorare l'affidabilità del pacco di celle a combustibile.

Per il sistema di alimentazione dell'aria è stato sviluppato un metodo di controllo coordinato per il compressore d'aria e la valvola di contropressione, in grado di disaccoppiare il flusso d'aria e la pressione di aspirazione. In questo modo, i due parametri possono rispondere in modo rapido e preciso alle esigenze del sistema, mantenendo al contempo un'elevata robustezza anche in presenza di forti variazioni delle condizioni operative e ambientali, evitando efficacemente danni al camino dovuti a un'insufficiente alimentazione d'aria in condizioni di carico variabile.

È stato sviluppato un metodo di controllo a circuito chiuso adattivo con feedforward e valvola proporzionale dell'eiettore di idrogeno per il sistema di circolazione dell'idrogeno, che sincronizza con precisione il momento di apertura della valvola di scarico dell'idrogeno con la variazione di apertura della valvola proporzionale, e può sopprimere efficacemente la fluttuazione di pressione su entrambi i lati dell'elettrodo a membrana causata dall'apertura della valvola di scarico dell'idrogeno, riducendo notevolmente il rischio di perforazione dell'elettrodo a membrana.

È stato progettato un osservatore di stato per il contenuto di acqua della membrana, che stima il contenuto di acqua liquida sui lati anodico e catodico della pila in base alla stima del flusso di idrogeno all'anodo e alla differenza di pressione in ingresso e in uscita della pila catodica, e controlla il contenuto di acqua della membrana in tempo reale entro un intervallo ragionevole regolando il tempo di apertura della valvola di scarico dell'idrogeno e il rapporto di eccesso d'aria, riducendo efficacemente la frequenza di guasti dovuti all'essiccazione e all'allagamento della membrana.

"Il nostro sistema di generazione di energia a celle a combustibile può essere davvero stabile e affidabile, ed è adatto a centrali elettriche fisse di varie dimensioni", ha concluso Liyuan Technology.

Si apprende che nel progetto dimostrativo di energia intelligente a zero emissioni di carbonio nell'area dello stabilimento dell'azienda, il progetto della centrale elettrica che utilizza l'elettrolisi dell'acqua per produrre idrogeno + tecnologia di generazione di energia a celle a combustibile è in funzione in modo stabile, con un'efficienza di conversione elettricità-idrogeno-elettricità del 35%, il che rappresenta un evidente vantaggio in termini di efficienza nel settore.

In ambito industriale, lo stoccaggio di energia a idrogeno, in quanto rappresentante delle tecnologie di stoccaggio energetico a lungo termine, è stato incluso nel programma di sostegno ufficiale per le nuove tecnologie di accumulo energetico. Con la riduzione dei costi di produzione, stoccaggio e trasporto dell'idrogeno, si prevede una maggiore diffusione dei dispositivi di generazione di energia distribuita.

Sebbene l'applicazione della generazione di energia tramite celle a combustibile sia ancora nelle sue fasi iniziali di sviluppo e debba affrontare numerose difficoltà e sfide da superare, in qualità di pioniere del settore, ha esplorato a fondo gli scenari applicativi con una visione lungimirante e passi decisi, superando una ad una le difficoltà tecniche e aprendo la strada a un solido percorso per lo sviluppo delle applicazioni di generazione di energia tramite celle a combustibile.