中國儲能網(wǎng)訊：9月23日，“2016中國新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展高峰論壇暨車企與動力電池企業(yè)技術(shù)交流會”在張家港盛大召開同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心教授、博士生導(dǎo)師許思傳做重要演講，許思傳教授的演講主題為“車用燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢”。
同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心教授、博士生導(dǎo)師許思傳
電動汽車資源網(wǎng)整理許思傳教授演講內(nèi)容如下：
各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家上午好！今天很高興有機(jī)會跟在座的各位專家和領(lǐng)導(dǎo)探討燃料電池系統(tǒng)當(dāng)中的有關(guān)問題，今天我也很高興主持人給我這樣的機(jī)會，在這樣一個動力電池的論壇上，讓我介紹燃料電池的情況。其實與剛剛陳老師還有趙部長介紹的一樣，燃料電池汽車是我們國家新能源汽車當(dāng)中的一種主要的形式，我代表我們同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，也是國家燃料電池汽車及動力系統(tǒng)工程中心做一個介紹，我大概分幾個部分向各位專家做一下介紹。
關(guān)于全球的挑戰(zhàn)，大家都比較清楚，我們簡單地過一下。大家知道，目前交通的模式，主要是依賴于傳統(tǒng)的汽車，應(yīng)該說無論是從能源和環(huán)保這兩個方面都不具有可持續(xù)性，這里面我想說關(guān)于能源的問題，我們國家的石油依存度逐年增加，特別是石油車的保有量增加，對于石油的需求會越來越大，而且我們石油進(jìn)口對外的依存度達(dá)到了60%。
那么對于這種能源的情況，環(huán)境污染也對我們國家造成了極大的挑戰(zhàn)，我們大家知道對于二氧化碳的排放，在杭州G20峰會上遞交了我們的承諾，低碳化一定是未來的發(fā)展趨勢，對于汽車而言，還有二氧化碳的排放，消耗能源是很重要的一個原因。
基于這樣的情況，未來汽車的發(fā)展，我們認(rèn)為是能源的多樣化。對于能源多樣化而言，電動汽車或者說汽車的電氣化一定是今后的未來發(fā)展趨勢。這里面我想說，可以從兩個方面來講，第一個方面我們說驅(qū)動的電動化，我們知道采用了驅(qū)動電動化以后，自動回饋，使驅(qū)動效率得到了很大的提高。右邊的表格當(dāng)中典型城市行駛工況牽引與制動能量消耗，采用驅(qū)動電動化才可以把制動的能量進(jìn)行回收，提高效率。
那么第二個方面就是能源的多元化，大家知道，由于我們國家對外石油資源的依存度越來越高，所以國家的能源安全就越來越重要，保證我們國家的能源安全，最有效的方法就是能源的多元化。那么對于能源多元化來說，對汽車工業(yè)一定要找到一個中間的載體，中間的能源，這樣對于汽車工業(yè)的發(fā)展就會至關(guān)重要，目前比較理想的中間的載體一個就是電，第二個就是氫氣，所以目前的純電動汽車和燃料電池汽車成為國內(nèi)外爭相發(fā)展的重點(diǎn)。
今天的主要是動力電池和電動汽車，我這里做了一個比較，這個觀點(diǎn)應(yīng)該說得到了比較大多數(shù)的專家的認(rèn)可，就是說未來的新能源汽車主要是純電動汽車和燃料電池汽車兩種。一般來說在里程比較短的情況下，采用純電動汽車比較多，而在行駛里程比較長采用燃料汽車比較多，這個表格也給出了各種主要的新能源汽車二氧化碳排放的情況。從這個表格當(dāng)中我們可以看出，無論是純電動汽車，還是燃料電池汽車都會極大降低二氧化碳的排放，這是第一個方面，由于前面兩位嘉賓都做了詳細(xì)的介紹，我就簡單概括。
第二個方面我們介紹一下燃料電池汽車，做一下燃料電池汽車的簡介，今天在座有很多的企業(yè)家，我介紹一下燃料電池汽車的有關(guān)方面，希望引起各位企業(yè)家、各位領(lǐng)導(dǎo)的重視，加大燃料電池汽車方面的投入。燃料電池汽車最基本的或者是核心的部分，我們叫它燃料電池系統(tǒng)，在國內(nèi)我們也稱之為燃料電池發(fā)動機(jī)，它和動力電池的最大不同就是利用了氫氧反應(yīng)產(chǎn)生電，這個方面來說類似于我們傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)，不是一個電池，是一個發(fā)電的裝置。燃料電池汽車比較有代表性的事例，豐田的Mirai在2014年12月15日在日本上市，無論是價格和性能都在國內(nèi)外引起了強(qiáng)烈的反響。這是一個比較典型的例子。
緊接著在2015年的3月份，本田發(fā)布了他的FCV Clarity汽車，這個基本和豐田的類似，各種指標(biāo)某一些方面甚至超過了豐田的指標(biāo)，其實本田的汽車應(yīng)該說是最早實現(xiàn)，大概在2007年豐田的第一代汽車以租賃的方式供用戶進(jìn)行駕駛。第三個就是現(xiàn)代ix35，韓國現(xiàn)代起步比較晚，應(yīng)該說跟我們國家基本上類似，大概大量的投入也是在2000年左右，但是現(xiàn)在的汽車發(fā)展的比我們國家快很多，應(yīng)該說現(xiàn)代汽車應(yīng)該比豐田發(fā)布還要早，豐田是2014年的12月份，現(xiàn)代是2014年的4月份已經(jīng)正式開始銷售。
我們做的工作，主要是在同濟(jì)大學(xué)期間完成的，2000年開始研究燃料汽車，最早做的超越一號，超越二號，超越三號，后來跟有關(guān)的汽車廠研究了一些轎車，2008年的奧運(yùn)會，總共給上海大眾生產(chǎn)了24輛的轎車，在這以后又在美國的加州進(jìn)行了長達(dá)半年的試行。第二個事件是上海的世博會，我們跟有關(guān)的整車廠，一汽、上汽、奇瑞等等，推出了90輛的燃料電池汽車，推出了100輛的燃料電池場館車，所以總共是193輛的燃料電池汽車在上海世博會上進(jìn)行了長達(dá)半年的運(yùn)行。這是燃料電池整個汽車的情況。
今天我重點(diǎn)介紹一下燃料電池系統(tǒng)，特別是燃料電池系統(tǒng)當(dāng)中的關(guān)鍵的部件和系統(tǒng)當(dāng)中的一個關(guān)鍵技術(shù)。剛剛趙總也提到，我們國家燃料電池技術(shù)在關(guān)鍵部件、關(guān)鍵材料和國外的差距還是比較大的。這有一個示意圖，最主要的部件就是燃料的電堆，為了使它正常的工作，就要源源不斷地提供空氣，提供氫氣，所以我們需要一個氫氣的供應(yīng)體，所以我們就需要一個空氣的供應(yīng)體，另外我們說燃料電池在工作的時候氫氧反應(yīng)生成水，這個水一方面有可能堵塞，另外一方面又起到濕潤燃料電池電堆當(dāng)中的電解質(zhì)，也就是膜的作用。所以對電堆而言，既是必不可少的又有一定的危害，所以說燃料電池的水熱管理系統(tǒng)，對電堆的冷卻，第二方面對產(chǎn)生水的回收和對氫氣對空氣的加濕，這個是燃料電池系統(tǒng)主要的一個原理。
這個表格是顯示的美國GOE統(tǒng)計的，目前燃料電池的系統(tǒng)主要的技術(shù)指標(biāo)和2020年的發(fā)展目標(biāo)，從這個表格當(dāng)中我們可以得到這么一個結(jié)論，目前在國際上，包括日本、美國、德國，燃料電池的技術(shù)已經(jīng)成熟，下一個階段，燃料電池的技術(shù)主要是集中在降低成本產(chǎn)業(yè)化的階段，這個表格當(dāng)中也可以看出來，燃料電池汽車跟傳統(tǒng)的汽車有突出的優(yōu)點(diǎn)，效率比較高，這里面目前的最高的效率已經(jīng)達(dá)到了60%，而2020年將會達(dá)到65%，我們大家知道對于傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)像豐田普銳斯發(fā)布的，效率達(dá)到的60%，這個在汽油車當(dāng)中已經(jīng)是最高了。所以說燃料電池顯著的優(yōu)點(diǎn)可以看出來，這個是關(guān)于簡介。
第三部分我介紹一下燃料系統(tǒng)當(dāng)中的一些關(guān)鍵的部件，這里面特別是希望能夠供有關(guān)的企業(yè)家們進(jìn)行參考。我們認(rèn)為燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要是有4個，第一個是電堆，我們說燃料電池系統(tǒng)、燃料電池發(fā)動機(jī)是燃料電動汽車的心臟，而電堆又是燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵的一點(diǎn)，電堆我們說就是把空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)輸入的氫氣和空氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電，這個是我們國內(nèi)外的一個主要的電堆，其中比較有名的就是豐田和本田他們最近發(fā)布的電堆，他這個電堆體積比功率已經(jīng)達(dá)到了每升3.1千瓦，我們國內(nèi)做的產(chǎn)品級的大概每升在1.2千瓦左右，實驗室上做到每升2千瓦左右，所以能夠看出我們跟國外的差距還是比較大的。另外在這樣的一個關(guān)鍵部件當(dāng)中，又涉及到很多的關(guān)鍵材料，這里面主要是催化劑、膜、碳石、GDL（音），這幾個在我們國家基本來說是空白的，或者是有一些個別的企業(yè)研發(fā)，產(chǎn)品的可靠性耐久性和國外的差距比較大，基本上在應(yīng)用當(dāng)中用的比較少，關(guān)鍵材料絕大部分是國外的產(chǎn)品，這也導(dǎo)致了我們國家燃料電池的成本要比國外高很多。
這個表格是給出了目前電堆在2013年達(dá)到了一個具體的狀態(tài)，美國DOE在2020年要達(dá)到的一個技術(shù)目標(biāo)。
第二個部件是氫氣循環(huán)系統(tǒng)，或者說是氫氣循環(huán)泵。我們大家知道，燃料電池用的燃料是氫氣，那么氫氣的電堆為了提高它的化學(xué)反應(yīng)速度，我們希望增加氫氣在電堆當(dāng)中的濃度，增加它的壓力，所以說我們就希望能夠在電堆當(dāng)中的氫氣循環(huán)起來，這里面會帶來很多的好處，這個好處一是可以提高功率密度，二是可以減輕補(bǔ)水，所以氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣循環(huán)泵是很關(guān)鍵的部件。目前對氫氣循環(huán)大概是有這么幾種情況，第一是不循環(huán)，這個是在我們國家十一五、十二五絕大部分的樣機(jī)采用，第二個是引射器，第三種氫氣循環(huán)泵，這個是主要的特點(diǎn)，今后應(yīng)該說主要以氫氣循環(huán)泵為主，在個別的情況下對引射器和氫氣循環(huán)泵相結(jié)合。
第三個關(guān)鍵的部件是加濕器。剛剛已經(jīng)提到了電堆當(dāng)中的電解質(zhì)是一個質(zhì)子交換膜，在工作的時候這個膜要保持濕潤狀態(tài)，一方面是供氫的質(zhì)子傳遞作用，另外一方面可以降低內(nèi)阻，保持電堆內(nèi)部的水動態(tài)平衡，提高電堆性能和耐久性，這個部分就是加濕器。加濕器的發(fā)展經(jīng)歷了很多的過程。在以前有用寒冷法，有用噴水加濕，現(xiàn)在是利用排氣對進(jìn)氣進(jìn)行加濕，目前在國內(nèi)這一塊基本是空白，主要是美國的公司、韓國的公司提供的產(chǎn)品當(dāng)中有。這個是我們說給加濕器的具體要求。
下面一個關(guān)鍵的部件是空氣壓縮機(jī)，或者說是我們叫它燃料電池的專用壓縮機(jī)，它的作用很簡單，就是為電堆提供一定溫度、一定壓力、一定流量的空氣。我們國內(nèi)目前的壓縮機(jī)這個行業(yè)應(yīng)該說是比較齊全的，為什么在燃料電池當(dāng)中不能應(yīng)用呢？燃料電池有一個特殊的要求，就是要無油，也就是說空氣當(dāng)中的油不允許存在，這樣的話目前的傳統(tǒng)壓縮機(jī)不能用在燃料電池系統(tǒng)當(dāng)中，所以說我們就要開發(fā)燃料電池專用的無油壓縮機(jī)。那么這個圖是目前我們做的，所謂的無油潤滑的高速壓縮機(jī)，為了車用我們說燃料電池的壓縮機(jī)一定要體積小、重量輕，所以為了滿足這樣的要求，我們采用離心式的壓縮機(jī)，軸承采用空氣軸承，而電機(jī)采用高短速，短速達(dá)到10萬轉(zhuǎn)，國內(nèi)上基本是10萬-15萬轉(zhuǎn)之間，這個燃料電池專用壓縮機(jī)在國內(nèi)僅僅有個別的廠家在研發(fā)，實際上跟國外的差距還是比較大的。
這張圖是給出了目前主流燃料當(dāng)中汽車當(dāng)中采用的壓縮機(jī)的主要的形式，從這里面可以看到，除了豐田他用的是羅茨式的其他都是離心式，當(dāng)然現(xiàn)在也有鼓風(fēng)機(jī)是采用的低壓式的，豐田為什么采用羅茨式的壓縮機(jī)呢？大家知道豐田原來是豐田紡織，這個里面他的羅茨壓縮機(jī)在紡織上有大量的應(yīng)用，所以豐田積累了大量的技術(shù)，他把這個技術(shù)移植到這個當(dāng)中。但是采用這樣的壓縮機(jī)也帶來一定的問題，這個問題就是有油潤滑，盡管密封做的很好，但是有少量的油有可能漏到里面去，特別是隨著使用的時間越長，漏油情況越嚴(yán)重，所以說豐田也正在跟有關(guān)的零部件供應(yīng)商在合作開發(fā)，所以基于這個方面，我們認(rèn)為還是利用離心式空氣軸承式的高速壓縮機(jī)是比較適合。這個是對空氣壓縮機(jī)的技術(shù)要求。（11：05）
燃料電池剛剛提到4個技術(shù)，第一個是水熱管理技術(shù)，燃料電池當(dāng)中電解質(zhì)質(zhì)子交換膜在工作的時候需要保持濕潤的狀態(tài)，否則這個氫離子的傳遞會很難傳遞，另外一方面電內(nèi)阻會增大，另外一方面氫氧反應(yīng)在生成水，如果管理不當(dāng)?shù)那闆r下會把這個流道堵住，所以阻止氧氣和氫離子的進(jìn)入，所以功率會下降。水熱管理的目標(biāo)就是保證這個膜濕潤，從此就防止了在陰極和陽極堵水的可能。豐田在發(fā)布Mirai最近的這個車當(dāng)中，應(yīng)該說它的核心的關(guān)鍵技術(shù)就是在它的水管理當(dāng)中做的工作，這個工作應(yīng)該發(fā)布以后引起了各大車廠的轟動，他把水管理做到極致，具體來講他把加濕器取消掉了，原來空氣系統(tǒng)進(jìn)行加濕，他把這個取消，豐田的這個目的是為了降低成本，沒有這個加濕器了，他的成本會大大下降，他是怎么做到的呢？應(yīng)該說采用了幾個關(guān)鍵的技術(shù)，一個關(guān)鍵技術(shù)是他把這個膜做的很好，原來的是在20個微米以上，而豐田的這個膜采用了10個微米，那么這個膜變薄了以后就有利于陰極向陽極的水傳遞，和陽極向陰極的水傳遞，這個是第一個措施。第二個措施是空氣和氫氣采用逆流的方式，流動正好是相反，第三個措施就是把這個熱管理控制在空氣入口這邊，溫度比較低，出口的溫度比較高，這樣在溫度比較低的時候，由于空氣不加濕，溫度比較低，隨著蒸發(fā)量的下降，膜就不容易變干，這是第三個。第四個關(guān)鍵技術(shù)是氫氣采用很大的循環(huán)量進(jìn)行循環(huán)，做了這樣的技術(shù)就實現(xiàn)了所謂的自增濕的技術(shù)，怎么實現(xiàn)的呢？我可以簡單說一下。
先看空氣這一側(cè)，開始的時候他沒有水，但是隨著反應(yīng)進(jìn)行在空氣出口的時候會產(chǎn)生大量的水，這個時候因為這邊的濃度比較高，就會從空氣側(cè)向氫氣側(cè)傳遞，這個時候我們說氫氣在流動的過程當(dāng)中把水分從入口帶到出口，由于空氣這一側(cè)濃度比較低，所以說又從陽極向陰極傳遞，就實現(xiàn)了所謂的自增濕的情況，這個是豐田在這一輪當(dāng)中的過程，另外一方面系統(tǒng)大大的簡化，成本降低，所以說號稱這個車賣700萬日元。另外一個降低成本的技術(shù)是原來的氫瓶是碳纖維，后來跟廠家合作，把碳纖維的要求降低，成本下降，氫瓶當(dāng)中碳纖維不要要求那么高，這個是豐田降低成本兩個關(guān)鍵的技術(shù)。
第二個是低溫冷起動，對于新能源汽車，即使是純電動汽車，低溫起動仍然是有挑戰(zhàn)性，動力電池在低溫下的性能應(yīng)該是比常溫下要差很多，燃料電池也面臨著同樣的挑戰(zhàn)，他的挑戰(zhàn)是什么呢？我們說對于燃料電池汽車來說反應(yīng)的快，零下的時候水會結(jié)冰，如果結(jié)冰的量比較多的話，我們說這個電解質(zhì)的這層膜很薄，10個微米，冰碴子會出現(xiàn)一些問題。所以說低溫起動在燃料電池當(dāng)中有一個核心的關(guān)鍵技術(shù)，那么目前應(yīng)該說豐田的Mirai、本田等等都實現(xiàn)了在零下30度的起動，我們國內(nèi)的上汽通用做到了零下25度。這個是怎么做到的呢？主要是從這三個方面考慮，第一個方面是說在停機(jī)的時候要想辦法把它產(chǎn)生的水分從陽極和陰極排除掉，這樣減少了結(jié)冰的數(shù)量。第二個措施就是保溫，這樣的話減緩溫度降低的速率，第三個是起動的時候加熱，它這個加熱應(yīng)該說不是依賴于動力電池的加熱，而是利用燃料電池本身的一個自加熱，也就是說這個圖可能是比較專業(yè)，這個是工作圖，1.4-1.0的區(qū)間是產(chǎn)生熱，絕大部分的氫氣是變成了電，在低溫啟動的一瞬間，通過控制的措施，在工作的這個點(diǎn)，這個時候是大量的產(chǎn)生熱，而這個小量的產(chǎn)生電，產(chǎn)生這個電只要維持壓縮機(jī)和燃料電池系統(tǒng)自身工作需要的電就可以了，而大量的這個熱把電堆快速地從零下20度，零下30度加熱到零上就可以順利起動，所以這樣的技術(shù)應(yīng)該說在國外的主要的廠家都已經(jīng)實現(xiàn)了在零下30度甚至可以做的更低，這一點(diǎn)應(yīng)該說比動力電池在低溫起動上面解決的更好。去年我們到日本豐田進(jìn)行交流的時候，我們也問他，為什么在燃料電池汽車當(dāng)中不采用鋰電池而是鎳鋅電池？他們說鋰電池在低溫啟動上沒有得到解決，而鎳鋅電池已經(jīng)得到了解決。
第三個關(guān)鍵技術(shù)我們叫它系統(tǒng)的控制技術(shù)，燃料電池大家知道，它的耐久性是很關(guān)鍵的問題，目前在國際的先進(jìn)水平上，在轎車上可以運(yùn)行20萬公里，或者說5000小時，功率衰減不超過10%，那么在客車上，可以做到1萬個小時，這個耐久性是怎么做的呢？一方面在關(guān)鍵的材料，關(guān)鍵的部件，很大的一部分在控制，經(jīng)過大量的研究，影響燃料電池壽命的關(guān)鍵因素有這么幾個，動態(tài)工況，起動，連續(xù)怠速，低溫儲存和起動，經(jīng)過這幾個影響耐久性的關(guān)鍵的因素，如何來對咱們的系統(tǒng)進(jìn)行控制是比較關(guān)鍵的問題。
這個圖是我們中心基于耐久性、經(jīng)濟(jì)性、動力性考慮的一個控制策略圖，從起動過程，運(yùn)行過程、故障改善做的。另外現(xiàn)在空氣控制系統(tǒng)都是中壓或者是高壓系統(tǒng)，我們要把空氣的供應(yīng)和壓力分別進(jìn)行控制，進(jìn)行壓力和流量的節(jié)流。另外就是這邊是氫氣供應(yīng)系統(tǒng)，這邊是空氣供應(yīng)系統(tǒng)，剛剛已經(jīng)提到了電解質(zhì)的膜很薄，豐田就10個微米，如何來保證這個空氣和氫氣它們之間的壓差？這個壓差如果大的話，會把這個膜去掉，我們目前要限制空氣這一側(cè)和氫氣這一側(cè)的壓差不超過0.5，這個我們就可以通過一個控制的方法來使得這個氫氣系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)隨動，這個是比較關(guān)鍵的。
燃料電池汽車的發(fā)展趨勢
最后簡單提一提今后燃料電池的發(fā)展方向。我們認(rèn)為未來主要的做的工作是壽命、成本、可靠性這幾個方面需要做大量的工作。這個是我們國家在十三五燃料電池的支持，燃料電池去年已經(jīng)支持了一個比較大的項目，一個是關(guān)于電堆，一個是關(guān)于材料，還有一個今年要起動的對于燃料電池系統(tǒng)方面的支持，現(xiàn)在本來已經(jīng)發(fā)布，預(yù)計在今年的11月份，12月份馬上就可以起動。
好，謝謝大家！
