鉅大LARGE | 點擊量：596次 | 2023年02月28日
車用燃料動力電池系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢
有關(guān)全球的挑戰(zhàn)，大家都比較清楚，我們簡單地過一下。大家了解，目前交通的模式，重要是依賴于傳統(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，這里面我想說有關(guān)能源的問題，我們國家的石油依存度逐年新增，特別是石油車的保有量新增，關(guān)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%。
那么關(guān)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)，我們大家了解關(guān)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，關(guān)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。關(guān)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，我們了解采用了驅(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，大家了解，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。那么關(guān)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，這樣關(guān)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動力電池汽車成為國內(nèi)外爭相發(fā)展的重點。
今天的重要是動力鋰電池和電動汽車，我這里做了一個比較，這個觀點應(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重要是純電動汽車和燃料動力電池汽車兩種。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重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，還是燃料動力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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
第二個方面我們介紹一下燃料動力電池汽車，做一下燃料動力電池汽車的簡介，今天在座有很多的公司家，我介紹一下燃料動力電池汽車的有關(guān)方面，希望引起各位公司家、各位領(lǐng)導(dǎo)的重視，加大燃料動力電池汽車方面的投入。燃料動力電池汽車最基本的或者是核心的部分，我們叫它燃料動力電池系統(tǒng)，在國內(nèi)我們也稱之為燃料動力電池發(fā)動機(jī)，它和動力鋰電池的最大不同就是利用了氫氧反應(yīng)出現(xiàn)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。燃料動力電池汽車比較有代表性的事例，豐田的Mirai在2014年十二月十五日在日本上市，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年的三月份，本田公布了他的FCVClarity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)該比豐田公布還要早，豐田是2014年的十二月份，現(xiàn)代是2014年的四月份已經(jīng)正式開始銷售。
我們做的工作，重要是在同濟(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輛的燃料動力電池汽車，推出了100輛的燃料動力電池場館車，所以總共是193輛的燃料動力電池汽車在上海世博會上進(jìn)行了長達(dá)半年的運行。這是燃料動力電池整個汽車的情況。
今天我重點介紹一下燃料動力電池系統(tǒng)，特別是燃料動力電池系統(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，我們國家燃料動力電池技術(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，最重要的部件就是燃料的電堆，為了使它正常的工作，就要源源不斷地供應(yīng)空氣，供應(yīng)氫氣，所以我們要一個氫氣的供應(yīng)體，所以我們就要一個空氣的供應(yīng)體，另外我們說燃料動力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動力電池電堆當(dāng)中的電解質(zhì)，也就是膜的用途。所以對電堆而言，既是必不可少的又有一定的危害，所以說燃料動力電池的水熱管理系統(tǒng)，對電堆的冷卻，第二方面對出現(xiàn)水的回收和對氫氣對空氣的加濕，這個是燃料動力電池系統(tǒng)重要的一個原理。
這個表格是顯示的美國GOE統(tǒng)計的，目前燃料動力電池的系統(tǒng)重要的技術(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，燃料動力電池的技術(shù)已經(jīng)成熟，下一個階段，燃料動力電池的技術(shù)重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，燃料動力電池汽車跟傳統(tǒng)的汽車有突出的優(yōu)點，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%，我們大家了解關(guān)于傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)像豐田普銳斯公布的，效率達(dá)到的60%，這個在汽油車當(dāng)中已經(jīng)是最高了。所以說燃料動力電池顯著的優(yōu)點可以看出來，這個是有關(guān)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)的公司家們進(jìn)行參考。我們認(rèn)為燃料動力電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，重要是有4個，第一個是電堆，我們說燃料動力電池系統(tǒng)、燃料動力電池發(fā)動機(jī)是燃料電動汽車的心臟，而電堆又是燃料動力電池系統(tǒng)的關(guān)鍵的一點，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)出現(xiàn)電，這個是我們國內(nèi)外的一個重要的電堆，其中比較有名的就是豐田和本田他們最近公布的電堆，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，這里面重要是催化劑、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公司研發(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)致了我們國家燃料動力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。我們大家了解，燃料動力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，我們希望新增氫氣在電堆當(dāng)中的濃度，新增它的壓力，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，這個是重要的特點，今后應(yīng)該說重要以氫氣循環(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)子傳遞用途，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，重要是美國的公司、韓國的公司供應(yīng)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動力電池的專用壓縮機(jī)，它的用途很簡單，就是為電堆供應(yīng)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，為何在燃料動力電池當(dāng)中不能應(yīng)用呢？燃料動力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)不能用在燃料動力電池系統(tǒng)當(dāng)中，所以說我們就要開發(fā)燃料動力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動力電池的壓縮機(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，這個燃料動力電池專用壓縮機(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)的重要的形式，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，豐田為何采用羅茨式的壓縮機(jī)呢？大家了解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。
燃料動力電池剛剛提到4個技術(shù)，第一個是水熱管理技術(shù)，燃料動力電池當(dāng)中電解質(zhì)質(zhì)子交換膜在工作的時候要保持濕潤的狀態(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，假如管理不當(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。豐田在公布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)該公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出現(xiàn)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，關(guān)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，動力鋰電池在低溫下的性能應(yīng)該是比常溫下要差很多，燃料動力電池也面對著同樣的挑戰(zhàn)，他的挑戰(zhàn)是什么呢？我們說關(guān)于燃料動力電池汽車來說反應(yīng)的快，零下的時候水會結(jié)冰，假如結(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動力電池當(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？重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出現(xiàn)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鋰電池的加熱，而是利用燃料動力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)間是出現(xiàn)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，這個時候是大量的出現(xiàn)熱，而這個小量的出現(xiàn)電，出現(xiàn)這個電只要維持壓縮機(jī)和燃料動力電池系統(tǒng)自身工作要的電就可以了，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)該說在國外的重要的廠家都已經(jīng)實現(xiàn)了在零下30度甚至可以做的更低，這一點應(yīng)該說比動力鋰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，為何在燃料動力電池汽車當(dāng)中不采用鋰離子電池而是鎳鋅電池？他們說鋰離子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)，燃料動力電池大家了解，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，影響燃料動力電池壽命的關(guān)鍵因素有這么幾個，動態(tài)工況，起動，持續(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？這個壓差假如大的話，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。
燃料動力電池汽車的發(fā)展趨勢
最后簡單提一提今后燃料動力電池的發(fā)展方向。我們認(rèn)為未來重要的做的工作是壽命、成本、可靠性這幾個方面要做大量的工作。這個是我們國家在十三五燃料動力電池的支持，燃料動力電池去年已經(jīng)支持了一個比較大的項目，一個是有關(guān)電堆，一個是有關(guān)材料，還有一個今年要起動的關(guān)于燃料動力電池系統(tǒng)方面的支持，現(xiàn)在本來已經(jīng)公布，預(yù)計在今年的十一月份，十二月份馬上就可以起動。
