論壇PEMFC

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是如今火熱的話題，因其具有能量轉(zhuǎn)化效率高、噪音低、*等優(yōu)點(diǎn)，使之成為車用燃料電池的主流選擇。為了促進(jìn)國內(nèi)PEMFC的發(fā)展，由上海燃料電池商業(yè)化促進(jìn)中心和DT新材料聯(lián)合舉辦的2019年8月21-23日在上海召開。會上同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院副教授馬天才發(fā)表了主題演講。

PEMFC

嘉賓介紹

     馬天才，同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，博士生導(dǎo)師，副教授，國家燃料電池汽車及動力系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心副主任，中國氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長，國家863計(jì)劃項(xiàng)目科學(xué)家，IEC電工學(xué)會燃料電池技術(shù)專家，全國燃料電池及液流電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員、中國工業(yè)節(jié)能與清潔生產(chǎn)協(xié)會電池回收與再利用分會專家、上海燃料電池商業(yè)化促進(jìn)中心理事，International  Journal of Powertrains期刊客座編輯。持續(xù)從事燃料電池汽車研發(fā)18年，開發(fā)了200余輛燃料電池汽車和100余套燃料電池備用電源系統(tǒng)，主持參與國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)16項(xiàng)

PEMFC

演講題目

燃料電池系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

PEMFC

演講實(shí)錄

      非常榮幸給大家做一個(gè)簡單的報(bào)告，我從2000年開始，像我們國家以前做的科創(chuàng)示范都是我在參與的。

　　今天的目的是想跟大家分享一下同濟(jì)大學(xué)在質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)展，以及我們從事燃料發(fā)動機(jī)的感受。

　　點(diǎn)介紹一下燃料電池技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。燃料電池的原理大家都比較清楚，就是氫能轉(zhuǎn)化反應(yīng)。燃料電池不能說是燃燒電池，電池燃燒就完蛋了，我們?nèi)剂想姵厥遣蝗紵模堑蜏氐幕瘜W(xué)方面。燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，到底包含了哪些?我們同濟(jì)大學(xué)基本上統(tǒng)計(jì)了，從DCDC為一個(gè)界限，驅(qū)動電機(jī)跟電池我們認(rèn)為是整車的組成部分。燃料電池在不同的車輛上就是不同的燃料電池車。我們講燃料電池的時(shí)候，在2002年的時(shí)候大家都注意到了，已經(jīng)建立了氫能的團(tuán)隊(duì)，如果沒有氫能，發(fā)展燃料電池就是一句空話。

　　氫能在重點(diǎn)就是與各種可再生資源連接起來，我們都知道的風(fēng)能、太陽能包括水力發(fā)電等等。這些能源都存在時(shí)間、空間的問題，供給側(cè)和需求側(cè)的不平衡，有了氫能以后就可以做大規(guī)模的存儲。氫能的基礎(chǔ)上，我們可以做到能源更好的利用。在我們國家的層面上，如果我們把氫能充分利用起來，中國未來是不需要進(jìn)口石油的，這個(gè)可能是對于我們國家能源戰(zhàn)略是非常重要的一點(diǎn)。

　　我們現(xiàn)在能源體系存在的問題比較清楚了，主要兩點(diǎn)個(gè)是能源安全，第二個(gè)是碳排放，我們國家的問題跟我剛才說的一樣，我們不是沒有能源，而是我們能源結(jié)構(gòu)，包括供給需求的差異性。但這些內(nèi)容，我們通過聯(lián)盟發(fā)布的白pi書觀點(diǎn)，因?yàn)槲沂窃跉淠苈?lián)盟擔(dān)任副秘書長，這些觀點(diǎn)也再給大家分享一遍。白pi書大家有興趣可以看一下。

　　我們認(rèn)為氫能至少從目前為止氫能是解決有效的途徑，安全、清潔、低碳、。基本上將來需要用能源的都會用到它，氫能產(chǎn)業(yè)的規(guī)模會比很大，相對來說燃料電池是氫能利用有效的途徑，但氫能是整個(gè)應(yīng)用的基礎(chǔ)。因?yàn)樗膽?yīng)用比我們想象的要大得多。

　　在車輛領(lǐng)域，燃料電池是我們動力轉(zhuǎn)型的方向，個(gè)是減少燃油的依賴，第二個(gè)是對車輛排放的需求，這些大家都比較清楚了，不光對于我們國家來說，對于世界各國來說都是非常重要的發(fā)展方向。尤其是現(xiàn)階段，在我們國家，在*范圍里大家都認(rèn)為燃料電池在長距離的情況下優(yōu)勢明顯。大家都在討論燃料電池和純電動到底是什么樣的關(guān)系，同濟(jì)大學(xué)包括我們團(tuán)隊(duì)，一直的觀點(diǎn)就是燃料電池跟純電動不是一種競爭關(guān)系，不同技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域有各自的優(yōu)勢。這個(gè)優(yōu)勢隨著技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)過程中可能會發(fā)生變化，但總的來說，長距離下燃料電池還是有更多優(yōu)勢的。

　　燃料電池在我們國家一系列政府文件，包括現(xiàn)在各級政府不同的規(guī)劃，相關(guān)的支持政策非常明顯。在日本，他們做的相對來說很完善，我一直覺得日本做得比較好的一條是說，他們在民眾教育這塊，一直是我比較羨慕的。因?yàn)槲覀儑译m然這個(gè)產(chǎn)業(yè)很熱，不管是資本也好、政府也好，還是企業(yè)也好。但我們一直在民眾教育方面，普通人聽到氫氣反應(yīng)就是安全問題。有一次日本出租車司機(jī)非常自豪的告訴我，我們?nèi)毡緦頃罅Πl(fā)展氫能。我就很差異，我說你們不擔(dān)心安全嗎?他說氫氣很安全。因?yàn)樗麄冊谌粘Ｉ钪薪邮盏搅俗銐蚨嗟男畔ⅰ?/span>

　　歐洲做了大量的工作，我們看我們國家氫能的發(fā)展，燃料的發(fā)展，更多的要看加氫站的發(fā)展。2018年底的時(shí)候，大家統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，正在運(yùn)營的加氫站達(dá)到369座，其中273座和傳統(tǒng)加油站一樣運(yùn)營。我個(gè)人認(rèn)為這個(gè)還是比較客觀的，這些加氫站，歐洲是152座，亞洲136座，北美78座，亞洲136座大部分是日本，一百左右，韓國是27座，我們中國就很少了。前四個(gè)國家是日本多的，德國、美國、韓國。我們不要說未來有多少輛車，加氫站有多少站，每年加多少氫，實(shí)際上就能夠反應(yīng)出我們應(yīng)用的狀況。

　　日本的狀況和中國的狀況，這里大家看得比較清楚，日韓密度要大得多，美國現(xiàn)在還是在西海岸線比較多。加氫站另外一個(gè)角度，我個(gè)人認(rèn)為德國做得比較好，歐洲這邊，因?yàn)槲覀?013年跟歐盟交流的時(shí)候，他們就說我們要建高速公路加氫站。包括德國的規(guī)劃，他們牛吹得挺大，但現(xiàn)在看基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的非常好。去年我參加會議的時(shí)候，有一個(gè)政客，他在批判政府，德國一直號稱是汽車強(qiáng)國，新能源汽車發(fā)展起來以后，日本把氫能做好了，中國把純電動汽車做好了，德國的汽車未來在哪里。他們在批判政府的時(shí)候說的，但當(dāng)初我看過相關(guān)的數(shù)據(jù)，實(shí)際上德國在氫能，燃料電池發(fā)展的過程中，他們扮演的角色，他們主要的作用就是把這個(gè)加氫站建好，更多的是讓企業(yè)做核心技術(shù)。

　　我們國家的燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃到目前為止我們看的話，我個(gè)人認(rèn)為還是非常痛苦的，包括技術(shù)包括產(chǎn)業(yè)發(fā)展的狀況，實(shí)際上都比較痛苦。雖然我們現(xiàn)在路線圖正在修訂，更多我們關(guān)注的還是氫氣儲備的問題。

　　燃料電池汽車商業(yè)化時(shí)代已經(jīng)到來了，正在進(jìn)入商業(yè)化的過程中，對我們國家而言機(jī)會還是有的。因?yàn)槿ツ暾{(diào)研時(shí)，總理就問了兩個(gè)問題，個(gè)是中國新能源電動汽車能不能追上日本，第二個(gè)如果要追上需要政府做什么?總的來說我認(rèn)為我們機(jī)會還是非常大的。因?yàn)槲覀兤鸩竭€是非常早的，世博會的時(shí)候，聽到中國的氫燃料電池，世博會的時(shí)候是*di一次這么大規(guī)模做的燃料電池汽車。第二個(gè)給大家介紹一下我國燃料電池發(fā)動機(jī)技術(shù)和面臨的挑戰(zhàn)。我們國家燃料電池汽車發(fā)展還是在政府的引導(dǎo)下做的，雖然有的企業(yè)在參與，但我們企業(yè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到歐美相關(guān)企業(yè)的狀況，我們在上海市燃料汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃時(shí)，把過去幾年分為四個(gè)階段：

　　十五的時(shí)候是科研驅(qū)動，十一五是示范應(yīng)用，十一五也是我們中國氫能源燃料電池產(chǎn)業(yè)世界上處于gao水平的時(shí)候，因?yàn)槲覀兓旧细偁幩經(jīng)]有太大的差距，某些領(lǐng)域我們還是有優(yōu)勢的。在十二五期間我們?nèi)剂掀囀沁M(jìn)入了低潮期，中國燃料電池汽車發(fā)展就是以上汽為代表，所以我們定義了整車牽引。十三五我們認(rèn)為更多是要面向市場做一些事。

　　整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈集群初步形成。這里面大家比較關(guān)注的是企業(yè)有多少個(gè)?這個(gè)是2018年初的時(shí)候，統(tǒng)計(jì)大概是200多個(gè)。上個(gè)月跟一個(gè)同行聊的時(shí)候，可能中國只要達(dá)上氫能源燃料電池的，200個(gè)后面加個(gè)零可能還不止。這至少反應(yīng)了大家對這個(gè)行業(yè)還是比較關(guān)注比較有信心的。

　　燃料電池整車發(fā)展，我們這個(gè)企業(yè)的行誰做得比較早的，積累了比較多的數(shù)據(jù)，車、電源各個(gè)領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用。實(shí)際上同濟(jì)大學(xué)雖然是做科研的，但我們相關(guān)的開發(fā)包括技術(shù)輸出都是面向化做的，包括以前我們有超過一百多個(gè)小時(shí)示范應(yīng)用的數(shù)據(jù)。可以這么說，真正的燃料電池汽車影響可靠性的主要目的在于關(guān)鍵零部件，可靠性與耐久性是一個(gè)產(chǎn)品發(fā)展的核心，燃料電池研發(fā)時(shí)，我們從微觀到宏觀進(jìn)行了大量的研究。燃料電池汽車、發(fā)動機(jī)相關(guān)環(huán)節(jié)之間耦合度非常高，如果僅僅是做一個(gè)系統(tǒng)，或者你跟你的供應(yīng)商和環(huán)境之間沒有深度合作，很難找到問題的關(guān)鍵，整個(gè)過程中，宏觀來分析，同時(shí)我們這邊有大量的從微觀做一些科學(xué)研究的，他們從微觀角度，這樣大家是會容易產(chǎn)生問題。

　　另外一個(gè)我們是具備30-400kW燃料電池發(fā)動機(jī)開發(fā)集成能力。電子控制技術(shù)我們有硬件軟件開發(fā)，平臺我們也搭建起來了。現(xiàn)在也給國內(nèi)很多企業(yè)做技術(shù)輸出。

　　關(guān)鍵零部件這塊，包括一些水分離器、DCDC(音)等等，我們也做了大量的工作，我們在材料、熱量管理等方面也進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

　　我們也有做MEA的，做金屬雙極板的，包括雙基板表面處理，這幾個(gè)的意思是說，現(xiàn)在科學(xué)問題的研究，整個(gè)團(tuán)隊(duì)、人才各方面，同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)在做了單體電壓0.6V，我們一個(gè)教授的目標(biāo)是在6安培每平方厘米的時(shí)候是做到0.6V。我當(dāng)時(shí)說你們做得這么牛，為什么電堆做得這么矬。他說科學(xué)問題的研究，跟工程化問題的研究*不是一回事。我想表達(dá)的是我們是有很多卡脖子的技術(shù)，卡在哪里?不是在科學(xué)問題研究，而是工程化和產(chǎn)品化。

　　我們可以直接觀測到內(nèi)部的電流分布，溫度分布的技術(shù)，這樣對系統(tǒng)集成的控制，是非常有幫助的。站在車輛的角度，我們對產(chǎn)品的要求永遠(yuǎn)是高安全性、高比功率。在車輛的利用上，還有一個(gè)材料安全，高低溫、部件安全，從車輛的角度我們提出這些，但不管怎么說，從車的角度我們核心的是說只有材料技術(shù)的進(jìn)步，才能驅(qū)動關(guān)鍵部件這一步。有了這樣的技術(shù)，系統(tǒng)集成才會真正的進(jìn)步，我們現(xiàn)在做的是系統(tǒng)集成力度，如果離開這些技術(shù)支撐，永遠(yuǎn)只能修修補(bǔ)補(bǔ)。

　　燃料電池的時(shí)變性、非線性和一致性是車用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。我們非常清楚的，每套系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)不一樣，因?yàn)槲覀冸姸岩恢滦圆灰粯樱覀冴P(guān)鍵零部件一致性不一樣，所以后在不同的工況下，出現(xiàn)的情況*不一樣。

　　給大家舉這么一個(gè)例子，世博會的時(shí)候，原來我們一百多輛觀光車，其中有一輛車，因?yàn)檐囎釉谂艿臅r(shí)候也老出問題，其中一輛觀光車在展廳里放了六年，當(dāng)時(shí)我們覺得這個(gè)車肯定是一塌糊涂。結(jié)果把電堆發(fā)動系統(tǒng)拆下來，一測，額定功率照樣可以滿足。里面的水一打開還可以，至少看起來不臟。所以說很多東西，不像我們想象的那么差，但確實(shí)也有很多問題需要我們解決。總體來說，我們重點(diǎn)關(guān)注，車用的角度，車用的條件下要做率、高可靠寫、長壽命。

　　我個(gè)人認(rèn)為我們國家燃料電池發(fā)動機(jī)主要技術(shù)瓶頸在兩部分，個(gè)是電堆，就是成本、冷啟動的問題。還有儲氫的角度，也是成本、安全性，包括儲氫密度的問題。這個(gè)方案大家有興趣的話可以關(guān)注一下，因?yàn)榍岸螘r(shí)間大家重點(diǎn)討論的就是未來儲氫到底是什么樣的。燃料電池發(fā)動機(jī)剛才我也表達(dá)了我的觀點(diǎn)，核心材料與關(guān)鍵零部件缺失，第二個(gè)是工程化與產(chǎn)品化開發(fā)與驗(yàn)證，需要大家投入大量的資源包括時(shí)間。

氫能利用核心平靜還是氫運(yùn)儲成本上。如果把這些挑戰(zhàn)歸納起來，我認(rèn)為關(guān)鍵的一條就是面向產(chǎn)品化的技術(shù)，產(chǎn)品化尤其是大功率燃料電池工程化與產(chǎn)品化技術(shù)，為什么專門提大功率的燃料電池?當(dāng)我們一直是面向補(bǔ)貼做的產(chǎn)品，如果是國家補(bǔ)貼要多四千瓦，或者是五千瓦，你做的所謂產(chǎn)品永遠(yuǎn)不是產(chǎn)品。

　　從汽車角度滿足不了動力系統(tǒng)需求，第二個(gè)所有內(nèi)燃機(jī)在測試的時(shí)候，沒有一個(gè)內(nèi)燃機(jī)永遠(yuǎn)工作在他的峰值功率的。一個(gè)人如果每天讓你100%的高強(qiáng)度工作，你的持續(xù)性可以嗎?燃料電池也是一樣的。雖然現(xiàn)在是一百千瓦燃料電池系統(tǒng)，真正工作的時(shí)候，只有七八十千瓦。

　　科學(xué)的問題，我們也不能一棍子打死，可能說有很多都是我們寫出來的只是長版，短版沒說。科學(xué)問題的研究，這方面的突破，對我們工程化研究提供了很強(qiáng)的支撐，關(guān)鍵的就是在于我們國內(nèi)，有哪家企業(yè)真的能拿出數(shù)據(jù)?有沒有真的測試?我們國內(nèi)唯yi見過的只有跟我們合作的一家單位，我看過他們是有7000個(gè)小時(shí)以上的測試數(shù)據(jù)，這個(gè)確確實(shí)實(shí)是有的。所以當(dāng)大家各位宣稱牛的時(shí)候，很多東西，你做產(chǎn)品，做工程化開發(fā)，離開這種精神是做不出來。

　　后一個(gè)是給大家介紹一下，內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，我們必須要借鑒內(nèi)燃機(jī)技術(shù)。另外內(nèi)燃機(jī)行業(yè)，相關(guān)的報(bào)告，內(nèi)燃機(jī)技術(shù)在燃料電池發(fā)動機(jī)應(yīng)用，去年一個(gè)年會時(shí)做了一個(gè)報(bào)告，內(nèi)燃機(jī)專家實(shí)際是瞧不起燃料電池的，第二個(gè)內(nèi)燃機(jī)比較恐慌。就像大家看“革命是不是到來了”。一方面是批判，一方面又擔(dān)心，實(shí)際上燃料電池可以把它看成一個(gè)電化學(xué)的發(fā)動機(jī)，只不過燃燒變成了電化學(xué)的過程，其他的輔助系統(tǒng)基本上類似的。

　　實(shí)際上內(nèi)燃機(jī)和燃料電池有很多相似性，包括結(jié)構(gòu)相似性、用途相似性、技術(shù)相似性包括大量共性零部件。

　　當(dāng)然在這里面也是有一個(gè)差異性的，這個(gè)差異性主要體現(xiàn)在電堆的需求和燃燒需求是不一樣，這里面我也不說了。當(dāng)你拿到電堆的時(shí)候要求是什么樣是非常清楚的。這里是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)在燃料電池領(lǐng)域應(yīng)用的研究課題，個(gè)是以冷卻系統(tǒng)為例，從車輛的角度來講，溫度提高以后散熱更容易。低溫冷啟動這塊，內(nèi)燃機(jī)也有結(jié)冰的情況，但沒有像燃料電池這么嚴(yán)重。

　　內(nèi)燃機(jī)技術(shù)今后在燃料電池領(lǐng)域有那些探索內(nèi)容呢?我也做了一個(gè)建議，比如說像渦輪增壓器技術(shù)，向空氣壓縮機(jī)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移應(yīng)用，包括先進(jìn)材料技術(shù)、加工技術(shù)在結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用。包括多缸流體分配技術(shù)在多模塊燃料電池發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括噪聲余震都是有共性的。