Uma análise do sistema de célula de combustível "Performance Warrior"

Isso significa que a indústria agora tem uma resposta mais clara para a questão fundamental: "O que é um bom sistema de células a combustível?". O sistema de células a combustível está respondendo a essa pergunta com ações práticas. Com foco nos dois principais cenários, automotivo e geração de energia, o Dr. Hou Junbo liderou a equipe técnica para otimizar o projeto e a iteração do processo de indicadores essenciais, como estabilidade do sistema, confiabilidade, consumo de hidrogênio, taxa de falhas e vida útil, e entregou à indústria duas obras de excelência: um sistema de motor automotivo e um sistema de geração de energia com armazenamento de hidrogênio.

Na área automotiva, concluímos o desenvolvimento de uma série de sistemas de motores de células de combustível com potência variando de 30 kW a 235 kW, que podem ser amplamente utilizados em diversos veículos, como carros de passeio, ônibus urbanos, caminhões leves, médios e pesados, empilhadeiras, reboques, máquinas de construção, etc.

Produtos de motores de células de combustível automotivos (70 kW à esquerda, 235 kW à direita)

Entre eles, 17 ônibus movidos a células de combustível de hidrogênio, equipados com sistemas de bordo modelo HYPSR-04 de 70 kW, apresentaram recentemente dados operacionais impressionantes: esses 17 ônibus estão em operação contínua há quase um ano e meio no condado de Jiashan, cidade de Jiaxing, província de Zhejiang, com uma quilometragem total de 800.000 quilômetros e um consumo médio de hidrogênio de 3,7 kg/100 km, muito inferior à média do setor de 5 kg/100 km, demonstrando vantagens significativas para a transformação do transporte público de Jiashan em termos de economia de energia e proteção ambiental.

Ônibus do condado de Jiashan

Além do custo de aquisição, o consumo de energia por 100 quilômetros é um dos indicadores econômicos mais importantes do veículo. Para alcançar a comercialização de veículos com células a combustível, além de promover continuamente a redução de custos em todas as etapas, é fundamental reduzir o custo de operação do veículo e o consumo de hidrogênio para melhorar a economia de combustível. Os dados operacionais de baixo consumo de hidrogênio comprovam sua sólida base técnica no sistema de células a combustível e na otimização da potência do veículo.

Além disso, a baixa taxa de falhas é outro destaque deste lote de ônibus em operação real. O sistema de célula de combustível de hidrogênio de 70 kW não só atende às necessidades das operações diárias dos ônibus, como também pode fornecer energia estável e eficiente em uso prolongado e frequente, sem falhas significativas, o que comprova sua adaptabilidade a condições complexas de estrada e mudanças climáticas.

"A quilometragem total é de 800.000 quilômetros, e o consumo médio é de apenas 3,7 kg/100 quilômetros. O funcionamento estável em diversos ambientes é a melhor prova da confiabilidade e praticidade da nossa tecnologia de células a combustível de hidrogênio, além de demonstrar o enorme potencial dessa tecnologia. A aplicação de células a combustível de hidrogênio tem um impacto de longo alcance na cidade de Jiashan e em todo o setor de transporte público, e também serve como uma importante referência para que mais cidades adotem ônibus movidos a energia limpa."

Os veículos de novas energias sempre enfrentam questionamentos sobre estabilidade e confiabilidade nos estágios iniciais de desenvolvimento, e os veículos movidos a células de combustível de hidrogênio não são exceção. Cada lote de veículos lançado por empresas de células de combustível passa não apenas por testes de desempenho de mercado, mas também pela confiança dos governos locais e das operadoras nas empresas de células de combustível e até mesmo em toda a indústria.

Para fabricar produtos em que o mercado possa confiar e garantir a estabilidade e durabilidade do sistema de células de combustível automotivas, a Liyuan Technology dedicou esforços e conhecimento extraordinários ao projeto da arquitetura do sistema, ao mecanismo de diagnóstico de falhas e ao monitoramento do status de operação, garantindo que cada etapa seja refinada, utilizando o poder da ciência e da tecnologia para construir a base da qualidade e tornando a segurança e a confiabilidade uma marca distintiva do produto.

"Desenvolvemos uma estrutura de diagnóstico de falhas no sistema de controle do motor, capaz de diagnosticar rapidamente os principais tipos de falhas, como pressão anormal no circuito de ar, diferença excessiva de pressão entre hidrogênio e ar, pressão anormal de hidrogênio, baixa pressão no circuito de refrigeração, alta temperatura do líquido de arrefecimento e travamento da válvula de drenagem. Também implementamos um mecanismo de resposta de proteção para falhas que possam causar consequências graves, a fim de evitar danos ao conjunto motopropulsor ao máximo", destacou o Dr. Hou Junbo.

Ao mesmo tempo, cada sistema de célula de combustível embarcado é integrado ao TBOX (veja a figura abaixo), que pode monitorar e alertar o sistema de controle em tempo real sobre algumas degradações de desempenho em uma escala de tempo mais longa, e possui estratégias correspondentes de recuperação de falhas. O sistema de upload de dados em tempo real baseado no TBOX pode monitorar remotamente o status operacional do sistema de motor de célula de combustível e realizar a solução de problemas remotamente. Além disso, o conjunto de dados operacionais em constante expansão pode ser usado para analisar, aprender e extrair informações sobre falhas, aprimorando continuamente o mecanismo de diagnóstico inteligente baseado em dados.

Sistema de monitoramento remoto de terminais TBOX

Sem dúvida, com sua alta estabilidade, baixo consumo de hidrogênio e características duráveis ​​do sistema de células a combustível, essa "novata" célula a combustível abriu as portas para o mercado de veículos a hidrogênio, avaliado em trilhões de dólares.

Além das aplicações automotivas, a geração de energia fixa também é um dos cenários de aplicação que continuam a ser explorados. A GGII prevê que, até 2030, a capacidade instalada acumulada de geração de energia com células a combustível no mercado doméstico deverá atingir 5 GW, e o espaço de mercado adicional para sistemas de geração de energia com células a combustível, de 2023 a 2030, ultrapassará 24 bilhões de yuans.

Com foco em quatro aspectos-chave de desempenho — modularidade, inteligência, estabilidade, durabilidade e confiabilidade —, os sistemas fixos de geração de energia já chegaram ao mercado de armazenamento de energia de hidrogênio.

A potência nominal do módulo de geração de energia do gabinete é de 100 kW e a saída é de 380 V CA; a potência nominal do módulo do contêiner é de 1 MW e a saída é de 10 kV CA.

Módulo de geração de energia tipo gabinete (esquerda), módulo de geração de energia tipo contêiner (direita)

O módulo de geração de energia pode operar de forma independente e suporta expansão paralela com múltiplos módulos. Combinado com transformadores e unidades de armazenamento de energia, permite a implantação flexível de capacidade de geração de energia distribuída, de 100 kW a 100 MW. Possui características como produção padronizada, transporte integrado e fácil instalação no local.

Em segundo lugar, cada módulo de geração de energia possui funções de controle independentes e autoconsistentes, o que garante a inteligência de todo o sistema de geração de energia para atingir o objetivo de reduzir o consumo de hidrogênio e a atenuação.

O módulo tipo contêiner possui quatro sistemas de células de combustível integrados. O controlador da microrrede recebe comandos externos e envia sinais de controle para cada sistema de células de combustível e inversor. Quando vários módulos operam em paralelo, os dados operacionais de cada sistema de células de combustível penetram no nível do módulo e são conectados ao sistema abrangente de gerenciamento inteligente de energia em alta velocidade e em tempo real, permitindo o agendamento centralizado baseado em nuvem e a operação e manutenção remotas.

O sistema inteligente de gestão de energia pode otimizar a potência de saída de cada célula de combustível em tempo real, ao nível da pilha, melhorando a eficiência média de cada pilha, reduzindo o consumo total de hidrogênio do sistema e considerando a restrição da taxa de flutuação de energia para retardar a degradação do desempenho da pilha. Ao nível do sistema, o sistema de gestão de energia possui a função de auto-adaptação do modo de consumo de energia, podendo ajustar automaticamente o modo de geração de energia ideal de acordo com as características de consumo, evitando partidas e paradas frequentes, variações de carga frequentes e outras condições de alta perda.

Em terceiro lugar, as aplicações de geração de energia fixa têm requisitos extremamente elevados quanto à estabilidade e durabilidade dos produtos de células a combustível. A Liyuan Technology realizou otimizações desde o nível do material e do componente até o nível do sistema. Por exemplo, através da seleção de matérias-primas essenciais, como PEM, GDL e catalisador, e da otimização estrutural do MEA, a equipe de P&D de eletrodos de membrana desenvolveu um eletrodo de membrana com uma estrutura de quatro camadas, que pode fornecer o MEA de longa duração necessário para usinas de energia fixas; ao otimizar as estratégias de resposta do sistema sob condições de partida e parada, carga variável, carga alta/baixa e outras condições de operação, evita-se a perda de materiais como membrana de troca de prótons, catalisador, camada de difusão de gás, etc., e a vida útil da pilha é prolongada.

Em quarto lugar, no nível de projeto e controle do sistema, uma variedade de métodos é usada em combinação para melhorar a confiabilidade da pilha de células a combustível.

Para o sistema de fornecimento de ar, foi desenvolvido um método de controle coordenado para o compressor de ar e a válvula de contrapressão, que permite o desacoplamento do fluxo de ar e da pressão de entrada. Dessa forma, ambos podem responder às necessidades do sistema de maneira rápida e precisa, mantendo ao mesmo tempo uma alta robustez mesmo em condições de trabalho e ambientais com grandes variações, evitando danos à chaminé devido ao fornecimento insuficiente de ar sob condições de carga variável.

Foi desenvolvido um método de controle adaptativo em malha fechada com avanço preditivo para válvula proporcional de ejetor de hidrogênio para o sistema de circulação de hidrogênio, que corresponde com precisão ao momento de abertura da válvula de descarga de hidrogênio e à mudança de abertura da válvula proporcional, e pode suprimir eficazmente a flutuação de pressão em ambos os lados do eletrodo de membrana causada pela abertura da válvula de descarga de hidrogênio, reduzindo significativamente o risco de perfuração do eletrodo de membrana.

Foi projetado um observador de estado para o teor de água na membrana, que estima o teor de água líquida nos lados do ânodo e do cátodo da pilha com base na estimativa do fluxo de hidrogênio no ânodo e na diferença de pressão entre a entrada e a saída da pilha no cátodo, e controla o teor de água na membrana em tempo real dentro de uma faixa razoável, ajustando o tempo de abertura da válvula de descarga de hidrogênio e a taxa de excesso de ar, reduzindo efetivamente a frequência de falhas por secagem e inundação da membrana.

"Nosso sistema de geração de energia por célula de combustível pode ser verdadeiramente estável e confiável, sendo adequado para usinas fixas de diversos portes", concluiu a Liyuan Technology.

Entende-se que, no projeto de demonstração de energia inteligente com emissão zero de carbono na área fabril da empresa, a usina que utiliza eletrólise da água para produzir hidrogênio e tecnologia de geração de energia por célula de combustível está operando de forma estável, com uma eficiência de conversão de eletricidade-hidrogênio-eletricidade de 35%, o que representa uma clara vantagem em termos de eficiência no setor.

Em termos industriais, o armazenamento de energia em hidrogênio, como representante da tecnologia de armazenamento de energia a longo prazo, foi incluído no apoio oficial a novas fontes de armazenamento de energia. Com a redução dos custos de produção, armazenamento e transporte de hidrogênio, espera-se que os dispositivos de geração de energia distribuída sejam impulsionados.

Embora a aplicação da geração de energia por células a combustível ainda esteja em seus estágios iniciais de desenvolvimento e enfrente muitas dificuldades e desafios a serem superados, como pioneira no setor, a empresa explorou profundamente cenários de aplicação com uma visão de futuro e passos firmes, superando as dificuldades técnicas uma a uma, pavimentando um caminho sólido para o desenvolvimento de aplicações de geração de energia por células a combustível.