同濟(jì)大學(xué)許思傳：燃料電池關(guān)鍵技術(shù)問題須系統(tǒng)性解決
圖為同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心教授許思傳作主題演講
11月16—17日，“2017’第二屆動(dòng)力電池應(yīng)用國際峰會(huì)暨第三屆中國電池行業(yè)智能制造研討會(huì)”在北京舉辦。本屆峰會(huì)由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)和電池中國網(wǎng)共同主辦，天津力神電池股份有限公司聯(lián)合主辦；中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)動(dòng)力電池應(yīng)用分會(huì)承辦，無錫先導(dǎo)智能裝備股份有限公司聯(lián)合承辦。參加此次峰會(huì)人數(shù)超600人。
17日上午，在以“現(xiàn)狀與未來：縱論車用燃料電池”為主題的燃料電池汽車市場(chǎng)分論壇上，同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心許思傳教授介紹了車用燃料電池系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展。以下為演講實(shí)錄：
大家上午好！今天主要給大家介紹一下同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，在燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵部件以及系統(tǒng)集成中的幾個(gè)比較關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，跟各位分享一下我們做的一些工作。
國際上，能源安全和環(huán)境污染兩個(gè)方面引起了越來越多的重視。個(gè)人認(rèn)為，燃料電池是解決能源安全和環(huán)境污染當(dāng)中最有效的一種途徑。我們國家燃料電池獲得了整個(gè)投資界的極大關(guān)注。
我剛進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域時(shí)，我們工程中心的前主任萬鋼部長曾對(duì)我說，我們希望能夠把燃料電池系統(tǒng)做成燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，像一個(gè)傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)一樣裝在車的前艙中上就可以運(yùn)行。那時(shí)是2003年，十幾年以后，這個(gè)已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)。右下角圖，是通用的一個(gè)燃料電池系統(tǒng)，把驅(qū)動(dòng)電機(jī)集成在一起，真正是燃料進(jìn)去、氧化劑進(jìn)去，輸出機(jī)械功，這個(gè)機(jī)械功由電機(jī)完成，所以真是變成一個(gè)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。這個(gè)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，最核心的部件是電堆，相當(dāng)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸，完成了把氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能這樣一個(gè)過程。要使該過程高效進(jìn)行，必須有燃料供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，這些都跟傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)極其類似。我主要介紹這五個(gè)系統(tǒng)中我個(gè)人認(rèn)為比較關(guān)鍵的幾個(gè)點(diǎn)。
其中，空氣供應(yīng)系統(tǒng)，最主要是它的壓縮機(jī)。空氣要靠壓縮機(jī)提供動(dòng)力，使它按照我們的要求進(jìn)入電堆中去。壓縮機(jī)有很多類型，根據(jù)比較和分析，我們認(rèn)為，燃料電池最適合使用的是離心式壓縮機(jī)。考慮到車用以及燃料電池的特點(diǎn)，離心式壓縮機(jī)最大的挑戰(zhàn)有兩點(diǎn)：第一點(diǎn)要無油潤滑，第二點(diǎn)要高速。因?yàn)檐囉脡嚎s機(jī)的體積要求很嚴(yán)格，高速我們認(rèn)為最好能夠在10萬轉(zhuǎn)以上。但考慮到電機(jī)軸承現(xiàn)狀，目前國際上基本有兩大類：一類是單級(jí)增壓，它的轉(zhuǎn)速很高，比如說達(dá)到10萬轉(zhuǎn)、15萬轉(zhuǎn)；第二種類型可以采用雙級(jí)增壓，這個(gè)時(shí)候電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)可以做到比較低，比如可以做到7萬轉(zhuǎn)、8萬轉(zhuǎn)這樣的量級(jí)。另外還有一個(gè)方向，對(duì)壓縮機(jī)而言，采用單機(jī)增壓，是不是帶膨脹機(jī)？所謂的膨脹機(jī)，即可以利用燃料電池的排氣回收一部分能量，幫助電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。我們認(rèn)為，這種情況從技術(shù)先進(jìn)性來講很有必要。
舉個(gè)例子，一個(gè)80千瓦的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，如果不加膨脹機(jī)，壓縮機(jī)需要功率大約20千瓦左右，加上一個(gè)膨脹機(jī)可以回收6~7千瓦，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的效率會(huì)有很大提高。所以我們認(rèn)為，空氣供應(yīng)系統(tǒng)中，關(guān)鍵部件最終的解決方案是離心壓縮機(jī)帶膨脹機(jī)，轉(zhuǎn)速在10萬轉(zhuǎn)到15萬轉(zhuǎn)之間這樣的解決方案。
對(duì)壓縮機(jī)，目前我們國內(nèi)在這方面做的工作相對(duì)比較欠缺，缺少正向開發(fā)。所以，我們認(rèn)為，必須關(guān)注關(guān)鍵部件的開發(fā)。這里面，根據(jù)燃料電池特殊的需要，開發(fā)相應(yīng)的葉輪、渦殼、擴(kuò)壓器、電機(jī)及控制器，這極為重要。
這個(gè)圖給出了傳統(tǒng)的增壓器工作范圍。目前，國內(nèi)很多壓縮機(jī)生產(chǎn)廠商，在很大程度上借鑒傳統(tǒng)的汽車增壓器設(shè)計(jì)。左邊圖，這個(gè)區(qū)間是傳統(tǒng)的增壓器工作區(qū)間，要提高燃料電池效率，化學(xué)計(jì)量比的范圍很大，整個(gè)系統(tǒng)的效率會(huì)極大下降。燃料電池專用壓縮機(jī)的渦輪，如何把它的喘振線向左移，這是葉輪、渦殼、擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)當(dāng)中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。
第二個(gè)關(guān)鍵部件氫氣循環(huán)系統(tǒng)。國家十五、十一五做的燃料電池系統(tǒng)大多數(shù)采用低壓系統(tǒng)，它的氫氣是不循環(huán)的。我們知道這種情況，它的氫氣利用率會(huì)比較低，而且很容易產(chǎn)生堵塞，目前，國內(nèi)、國際正在研發(fā)的燃料電池系統(tǒng)，毫無例外采用氫氣循環(huán)。氫氣循環(huán)有兩種方式：第一種是引射的方式，像本田采用的方式一樣，還有一種方式是氫氣循環(huán)泵的方式，像豐田采用的方式。我們認(rèn)為這兩種方式都可以很好地解決工程問題，相對(duì)而言采用引射的方式，整個(gè)結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，成本很低；而采用氫氣循環(huán)泵的方式，可根據(jù)需求調(diào)節(jié)氫氣的循環(huán)量，調(diào)節(jié)的自由度很大。當(dāng)然國外也有兩種結(jié)合在一起的方案，利用氫氣循環(huán)泵、引射并聯(lián)運(yùn)行，根據(jù)需要來決定控制采用哪種方式。這是我們利用引射器原理設(shè)計(jì)的氫氣循環(huán)器，經(jīng)過我們的實(shí)踐，引射器可以在很大的范圍內(nèi)來滿足燃料電池系統(tǒng)循環(huán)的需要。
下面我想介紹一下關(guān)于系統(tǒng)集中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。第一個(gè)問題是低溫啟動(dòng)。在低溫啟動(dòng)中，燃料電池系統(tǒng)要解決低溫啟動(dòng)的問題，我們認(rèn)為需要做兩件事情，第一個(gè)是停機(jī)的吹掃；一個(gè)是啟動(dòng)的加熱。停機(jī)的吹掃，我們建立了各種仿真模型，研究不同的工況情況下吹掃過程對(duì)膜的影響。吹掃解決什么問題？主要是把電堆停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的水吹掉，使儲(chǔ)存過程不結(jié)冰或少結(jié)冰。那么，到底用什么介質(zhì)吹掃、吹掃多長時(shí)間？如果吹掃的時(shí)間很短，電堆當(dāng)中水的量仍然很多，在低溫情況下仍然會(huì)結(jié)冰，甚至?xí)檀┵|(zhì)子交換膜。這個(gè)度就是吹掃中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。可以通過實(shí)驗(yàn)的方法研究不同的吹掃方法膜當(dāng)中含水量的規(guī)律，這是停機(jī)吹掃的過程。
啟動(dòng)的過程，要加熱，我們大家馬上想到外部加熱，可以利用鋰電池本身進(jìn)行加熱，大家知道電池本身低溫啟動(dòng)性很差，所以利用這種方法，一個(gè)方面我們說，它的可行性不高，另外一個(gè)方面，我們大家知道利用外部加熱的時(shí)間極長，因?yàn)橐猛獠考訜嵋沟么呋瘜拥谋诨@個(gè)過程是極其緩慢的。所以我們可以利用仿真的方法，來研究采用什么方法解決低溫啟動(dòng)的問題。
我們認(rèn)為解決低溫啟動(dòng)豐田方法是比較好的方法，所謂利用自加熱的方式，就是說在低溫環(huán)境下，拉功率，在催化層當(dāng)中產(chǎn)生熱，這個(gè)時(shí)候的核心關(guān)鍵點(diǎn)是電堆工作的電壓很低，就是說產(chǎn)生的電功率極少，絕大部分氫氣的化學(xué)能都變成熱能，用于對(duì)催化層、對(duì)電堆進(jìn)行加熱，比如說豐田做到0.08V，這樣會(huì)帶來兩個(gè)挑戰(zhàn)，第一個(gè)，對(duì)電堆一致性的挑戰(zhàn)，第二個(gè)，對(duì)DC/DC的控制帶來極大的挑戰(zhàn)。目前我們國內(nèi)生產(chǎn)電堆，大家知道它的一致性相對(duì)來說還都是比較差的，如果采用這種辦法，對(duì)電堆的損害會(huì)比較大。所以采用一種過渡的方法，即可以采用自加熱和外部加熱相結(jié)合的方法，就是說我把燃料電池的工作電壓拉的比較高，比如說0.2、0.3V，我們利用產(chǎn)生的電通過外部加熱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加熱，兩種方式結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)零下20度的低溫啟動(dòng)應(yīng)該是沒問題的，當(dāng)然對(duì)實(shí)現(xiàn)零下30度的低溫啟動(dòng)，又要對(duì)電堆的壽命影響較少的話，實(shí)際上要對(duì)電池的一致性提出更高的要求。
下面一個(gè)關(guān)鍵問題是空氣供應(yīng)系統(tǒng)的控制問題。我們?cè)谑濉⑹晃澹ū本W運(yùn)會(huì)、上海世博會(huì)，燃料電池用的系統(tǒng)是低壓系統(tǒng)，低壓系統(tǒng)對(duì)空氣供應(yīng)系統(tǒng)的控制相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，因?yàn)樗膲毫Φ汀，F(xiàn)在，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的功率密度，毫無例外地采用這種所謂的中高壓系統(tǒng)。特別是中壓系統(tǒng)，在世界上廣泛應(yīng)用，解決壓力和流量控制的解耦問題，如何在控制當(dāng)中實(shí)現(xiàn)兩者解耦，就可以獨(dú)立控制其流量和壓力。這是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。
第二個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，環(huán)境適應(yīng)性。高原環(huán)境，現(xiàn)在我們廠商絕大部分情況下還沒考慮到現(xiàn)在燃料電池系統(tǒng)將來到西藏、到高原上，它的性能會(huì)如何。同濟(jì)大學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室做過模擬，當(dāng)大氣壓力下降時(shí)，它的性能會(huì)下降很多，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制的時(shí)候，就要考慮到這方面。這方面兩個(gè)措施：第一，在設(shè)計(jì)壓縮機(jī)的時(shí)候，就要考慮高原環(huán)境下的壓力、流量如何設(shè)計(jì)；第二，控制算法當(dāng)中就要考慮到，高原環(huán)境下如何調(diào)整壓縮機(jī)的工作點(diǎn)、工作工況。
為了實(shí)現(xiàn)空氣流量和壓力的解耦控制，背壓閥的控制。解耦控制利用空氣動(dòng)力系統(tǒng)當(dāng)中的背壓閥和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制兩者之間，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合控制，可以實(shí)現(xiàn)它的流量、壓力的解耦控制。
氫氣功能系統(tǒng)當(dāng)中，除了剛才我們說的一個(gè)引射裝置當(dāng)中，壓力如何控制？流量如何控制？我們的解決方案是采用電控噴氫的方法，利用這種方法控制進(jìn)入到燃料電池系統(tǒng)當(dāng)中氫氣的流量和壓力，同時(shí)和空氣系統(tǒng)當(dāng)中的壓力聯(lián)動(dòng)，保證兩者之間的壓差不超過0.5。這個(gè)是我們利用電控噴氫實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣的壓力和空氣壓力控制的結(jié)果，實(shí)際控制結(jié)果還比較好。
系統(tǒng)集成當(dāng)中另外一個(gè)問題，就是水熱管理問題，大家知道，在傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)中、傳統(tǒng)汽車當(dāng)中，我們最早叫冷卻系統(tǒng)，后來叫熱管理系統(tǒng)，到了燃料電池時(shí)代我們叫做水熱管理系統(tǒng)，為什么？燃料電池系統(tǒng)中的水管理至關(guān)重要，我們要保證質(zhì)子交換膜中，有足夠的水分，同時(shí)陰極和陽極又不能產(chǎn)生堵水。第二個(gè)問題，和傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)比起來，燃料電池的效率盡管提高，但是通過冷卻系統(tǒng)散走的熱量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，所以對(duì)一個(gè)全功率的燃料電池系統(tǒng)，它的冷卻系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)如何設(shè)計(jì)，更是至關(guān)重要的點(diǎn)。而且水管理和熱管理，這兩者之間又是相互耦合的。我們要求的水管理是指控制進(jìn)到電堆中空氣和氫氣的相對(duì)濕度。相對(duì)濕度跟溫度緊密相關(guān)。舉個(gè)例子，如果在冬天環(huán)境下，如果說下雨天，其相對(duì)濕度假設(shè)在95%的話，他的溫度這時(shí)候只有5度或者說10度，我經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮以后，他的溫度變成70度、80度，這個(gè)時(shí)候他的相對(duì)濕度就會(huì)從95%變到5%，甚至比5%還要低，這是及其干燥的情況，如果進(jìn)到電堆去，會(huì)把膜當(dāng)中的水分吸干，如何來解決它？當(dāng)然通過加濕器，這種解決方案是比較簡(jiǎn)單的。但是我們大家知道，豐田采用自增濕以后，進(jìn)到電堆當(dāng)中幾乎接近于干空氣，這個(gè)時(shí)候燃料電池當(dāng)中的水管理和熱管理如何來緊密耦合，就是他的一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)。
要實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)點(diǎn)，我們?nèi)绾蝸斫鉀Q它的膜當(dāng)中含水量的估計(jì)，這又是一個(gè)很關(guān)鍵的手段，就是說我要控制的時(shí)候，要知道膜當(dāng)中到底含有多少水分，這個(gè)含水分的多少會(huì)決定我如何來控制它，所以我們也開發(fā)了一個(gè)膜當(dāng)中含水量估計(jì)的方法，簡(jiǎn)單講，通過DC/DC，加上一個(gè)微小的交流電信號(hào)，通過這樣一個(gè)交流電信號(hào)來估計(jì)膜當(dāng)中的含水量，這個(gè)我們說不僅僅可以用于燃料電池水管理的研究，也可以用于低溫啟動(dòng)。我前邊講過低溫啟動(dòng)的吹掃，吹掃多長時(shí)間膜當(dāng)中的含水量能夠達(dá)到我們要求的不高也不低這樣一個(gè)狀態(tài)，這樣一個(gè)手段就為我們控制提供了一個(gè)很好的保障。
我們有了膜中含水量的估計(jì)手段以后，就可以來判斷電堆工作中膜的含水是處于正常狀態(tài)、吹干狀態(tài)、還是加濕狀態(tài)。根據(jù)它處的不同狀態(tài)，我們來調(diào)節(jié)空氣的壓力、空氣的流量、冷卻液的溫度。這個(gè)道理比較簡(jiǎn)單，如果說空氣的壓力降低的話，這時(shí)候它吸水的能力會(huì)增加，它的流量增大的話，它的吸水能力也會(huì)增加，它的溫度降低的話，相對(duì)濕度會(huì)增加。所以，通過控制冷卻液的溫度，控制空氣的流量，控制空氣的壓力，我們可以再根據(jù)膜中含水量估計(jì)的值來調(diào)整膜中的含水量。我們認(rèn)為這是解決熱管理中最最終極的解決方案，而且是解決燃料電池壽命問題的有效措施之一。
燃料電池系統(tǒng)、系統(tǒng)集成中還有很多的點(diǎn)，比如說啟動(dòng)、怠速、加速、減速，在這些過程中如何解決供氣不足、高電位等問題，是燃料電池系統(tǒng)集成控制中很關(guān)鍵的問題，只有把這些問題全部都解決了以后，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的耐久性、經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性會(huì)得到很好的提高。我們認(rèn)為，燃料電池公交車要達(dá)到5萬小時(shí)，僅僅靠一個(gè)孤立的點(diǎn)是很難完成的。
我今天介紹這么多。謝謝大家！
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