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同济马天才:影响燃料电池汽车可靠在于关键零
发表于:2019-09-20 13:21 来源:阿诚 分享至:

  整个产业链集群初步形成。这里面大家比较关注的是企业有多少个?这个是2018年初的时候,统计大概是200多个。上个月跟一个同行聊的时候,可能中国只要达上氢能源燃料电池的,200个后面加个零可能还不止。这至少反应了大家对这个行业还是比较关注比较有信心的。

  关键零部件这块,包括一些水分离器、DCDC(音)等等,我们也做了大量的工作,我们在材料、热量管理等方面也进行了相应的研究。

  欧洲做了大量的工作,我们看我们国家氢能的发展,燃料的发展,更多的要看加氢站的发展。2018年底的时候,大家统计的数据,全球正在运营的加氢站达到369座,其中273座和传统加油站一样运营。我个人认为这个还是比较客观的,这些加氢站,欧洲是152座,亚洲136座,北美78座,亚洲136座大部分是日本,一百左右,韩国是27座,我们中国就很少了。前四个国家是日本最多的,德国、美国、韩国。我们不要说未来有多少辆车,加氢站有多少站,每年加多少氢,实际上就能够反应出我们应用的状况。

  我们国家的燃料电池汽车产业规划到目前为止我们看的话,我个人认为还是非常痛苦的,包括技术包括产业发展的状况,实际上都比较痛苦。虽然我们现在路线图正在修订,更多我们关注的还是氢气储备的问题。

  今天的目的是想跟大家分享一下同济大学在质子交换膜燃料电池进展,以及我们从事燃料发动机的感受。

  实际上内燃机和燃料电池有很多相似性,包括结构相似性、用途相似性、技术相似性包括大量共性零部件。

  另外一个我们是具备30-400kW燃料电池发动机开发集成能力。电子控制技术我们有硬件软件开发,平台我们也搭建起来了。现在也给国内很多企业做技术输出。

  非常荣幸给大家做一个简单的报告,我从2000年开始,像我们国家以前做的科创示范都是我在参与的。

  嘉宾介绍:马天才,同济大学汽车学院,博士生导师,副教授,国家燃料电池汽车及动力系统工程技术研究中心副主任,中国氢能源与燃料电池产业创新联盟副秘书长,国家863计划项目首席科学家,IEC国际电工学会燃料电池技术专家,全国燃料电池及液流电池标准化技术委员会委员、中国工业节能与清洁生产协会电池回收与再利用分会专家、上海燃料电池商业化促进中心理事,International Journal of Powertrains期刊客座编辑。持续从事燃料电池汽车研发18年,开发了200余辆燃料电池汽车和100余套燃料电池备用电源系统,主持参与国内外标准16项

  燃料电池整车发展,我们这个企业的行谁做得比较早的,积累了比较多的数据,车、电源各个领域都有一定的应用。实际上同济大学虽然是做科研的,但我们相关的开发包括技术输出都是面向全球化做的,包括以前我们有超过一百多个小时示范应用的数据。可以这么说,真正的燃料电池汽车影响可靠性的主要目的在于关键零部件,可靠性与耐久性是一个产品发展的核心,燃料电池研发时,我们从微观到宏观进行了大量的研究。燃料电池汽车、发动机相关环节之间耦合度非常高,如果仅仅是做一个系统,或者你跟你的供应商和环境之间没有深度合作,很难找到问题的关键,整个过程中,宏观来分析,同时我们这边有大量的从微观做一些科学研究的,他们从微观角度,这样大家是会容易产生问题。

  内燃机技术今后在燃料电池领域有那些探索内容呢?我也做了一个建议,比如说像涡轮增压器技术,向空气压缩机领域转移应用,包括先进材料技术、加工技术在结构方面的应用。包括多缸流体分配技术在多模块燃料电池发动机领域的应用,包括噪声余震都是有共性的。

  氢能在重点就是与各种可再生资源连接起来,我们都知道的风能、太阳能包括水力发电等等。这些能源都存在时间、空间的问题,供给侧和需求侧的不平衡,有了氢能以后就可以做大规模的存储。氢能的基础上,我们可以做到能源更好的利用。在我们国家的层面上,如果我们把氢能充分利用起来,中国未来是不需要进口石油的,这个可能是对于我们国家能源战略是非常重要的一点。

  氢能利用核心平静还是氢运储成本上。如果把这些挑战归纳起来,我认为最关键的一条就是面向产品化的技术,产品化尤其是大功率燃料电池工程化与产品化技术,为什么专门提大功率的燃料电池?当我们一直是面向补贴做的产品,如果是国家补贴要最多四千瓦,或者是五千瓦,你做的所谓产品永远不是产品。

  质子交换膜燃料电池(PEMFC)是如今最火热的话题,因其具有能量转化效率高、噪音低、零排放等优点,使之成为车用燃料电池的主流选择。为了促进国内PEMFC的发展,2019年8月21-23日在上海举办了PEMFC FORUM 2019质子交换膜燃料电池技术论坛暨资本对接会。会上同济大学副教授马天才发表了主题演讲。

  燃料电池汽车商业化时代已经到来了,正在进入商业化的过程中,对我们国家而言机会还是有的。因为去年调研时,总理就问了两个问题,第一个是中国新能源电动汽车能不能追上日本,第二个如果要追上需要政府做什么?总的来说我认为我们机会还是非常大的。因为我们起步还是非常早的,世博会的时候,听到中国的氢燃料电池,世博会的时候是全世界第一次这么大规模做的燃料电池汽车。 第二个给大家介绍一下我国燃料电池发动机技术和面临的挑战。我们国家燃料电池汽车发展还是在政府的引导下做的,虽然有的企业在参与,但我们企业远远没有达到欧美相关企业的状况,我们在上海市燃料汽车产业规划时,把过去几年分为四个阶段:

  第一从汽车角度满足不了动力系统需求,第二个所有内燃机在测试的时候,没有一个内燃机永远工作在他的峰值功率的。一个人如果每天让你100%的高强度工作,你的持续性可以吗?燃料电池也是一样的。虽然现在是一百千瓦燃料电池系统,真正工作的时候,只有七八十千瓦。

  在车辆领域,燃料电池是我们动力转型的方向,第一个是减少燃油的依赖,第二个是对车辆排放的需求,这些大家都比较清楚了,不光对于我们国家来说,对于世界各国来说都是非常重要的发展方向。尤其是现阶段,在我们国家,在全世界范围里大家都认为燃料电池在长距离的情况下优势明显。大家都在讨论燃料电池和纯电动到底是什么样的关系,同济大学包括我们团队,一直的观点就是燃料电池跟纯电动不是一种竞争关系,不同技术在不同应用领域有各自的优势。这个优势随着技术的发展,这个过程中可能会发生变化,但总的来说,长距离下燃料电池还是有更多优势的。

  最后一个是给大家介绍一下,内燃机系统,我们必须要借鉴内燃机技术。另外内燃机行业,相关的报告,内燃机技术在燃料电池发动机应用,去年一个年会时做了一个报告,内燃机专家实际是瞧不起燃料电池的,第二个内燃机比较恐慌。就像大家看“革命是不是到来了”。一方面是批判,一方面又担心,实际上燃料电池可以把它看成一个电化学的发动机,只不过燃烧变成了电化学的过程,其他的辅助系统基本上类似的。

  科学的问题,我们也不能一棍子打死,可能说有很多都是我们写出来的只是长版,短版没说。科学问题的研究,这方面的突破,对我们工程化研究提供了很强的支撑,关键的就是在于我们国内,有哪家企业真的能拿出数据?有没有真的测试?我们国内唯一见过的只有跟我们合作的一家单位,我看过他们是有7000个小时以上的测试数据,这个确确实实是有的。所以当大家各位宣称最牛的时候,很多东西,你做产品,做工程化开发,离开这种精神是做不出来。

  我们认为氢能至少从目前为止氢能是解决最有效的途径,安全、清洁、低碳、高效。基本上将来需要用能源的都会用到它,氢能产业的规模绝对会比很大,相对来说燃料电池是氢能利用有效的途径,但氢能绝对是整个应用的基础。因为它的应用比我们想象的要大得多。

  给大家举这么一个例子,世博会的时候,原来我们一百多辆观光车,其中有一辆车,因为车子在跑的时候也老出问题,其中一辆观光车在展厅里放了六年,当时我们觉得这个车肯定是一塌糊涂。结果把电堆发动系统拆下来,一测,额定功率照样可以满足。里面的水一打开还可以,至少看起来不脏。所以说很多东西,不像我们想象的那么差,但确实也有很多问题需要我们解决。总体来说,我们重点关注,车用的角度,车用的条件下要做高效率、高可靠写、长寿命。

  燃料电池在我们国家一系列,包括现在各级政府不同的规划,相关的支持政策非常明显。在日本,他们做的相对来说很完善,我一直觉得日本做得比较好的一条是说,他们在民众教育这块,一直是我比较羡慕的。因为我们国家虽然这个产业很热,不管是资本也好、政府也好,还是企业也好。但我们一直在民众教育方面,普通人听到氢气第一反应就是安全问题。有一次日本出租车司机非常自豪的告诉我,我们日本将来会大力发展氢能。我就很差异,我说你们不担心安全吗?他说氢气很安全。因为他们在日常生活中接收到了足够多的信息。

  我个人认为我们国家燃料电池发动机主要技术瓶颈在两部分,第一个是电堆,就是成本、冷启动的问题。还有储氢的角度,也是成本、安全性,包括储氢密度的问题。这个方案大家有兴趣的话可以关注一下,因为前段时间大家重点讨论的就是未来储氢到底是什么样的。燃料电池发动机刚才我也表达了我的观点,核心材料与关键零部件缺失,第二个是工程化与产品化开发与验证,需要大家投入大量的资源包括时间。

  我们现在能源体系存在的问题比较清楚了,主要两点第一个是能源安全,第二个是碳排放,我们国家的问题跟我刚才说的一样,我们不是没有能源,而是我们能源结构,包括供给需求的差异性。但这些内容,我们通过联盟发布的白皮书观点,因为我是在氢能联盟担任副秘书长,这些观点也再给大家分享一遍。白皮书大家有兴趣可以看一下。

  燃料电池的时变性、非线性和一致性是车用的关键挑战。我们非常清楚的,每套系统标准参数不一样,因为我们电堆一致性不一样,我们关键零部件一致性不一样,所以最后在不同的工况下,出现的情况完全不一样。

  我们可以直接观测到内部的电流分布,温度分布的技术,这样对系统集成的控制,是非常有帮助的。站在车辆的角度,我们对产品的要求永远是高安全性、高比功率。在车辆的利用上,还有一个材料安全,高低温、部件安全,从车辆的角度我们提出这些,但不管怎么说,从车的角度我们最核心的是说只有材料技术的进步,才能驱动关键部件这一步。有了这样的技术,系统集成才会真正的进步,我们现在做的是系统集成力度,如果离开这些技术支撑,永远只能修修补补。

  当然在这里面也是有一个差异性的,这个差异性主要体现在电堆的需求和燃烧需求是不一样,这里面我也不说了。当你拿到电堆的时候要求是什么样是非常清楚的。这里是内燃机技术在燃料电池领域应用的研究课题,第一个是以冷却系统为例,从车辆的角度来讲,温度提高以后散热更容易。低温冷启动这块,内燃机也有结冰的情况,但没有像燃料电池这么严重。

  我们也有做MEA的,做金属双极板的,包括双基板表面处理,这几个的意思是说,现在科学问题的研究,整个团队、人才各方面,同济大学现在做了单体电压0.6V,我们一个教授的目标是在6安培每平方厘米的时候是做到0.6V。我当时说你们做得这么牛,为什么电堆做得这么矬。他说科学问题的研究,跟工程化问题的研究完全不是一回事。我想表达的是我们是有很多卡脖子的技术,卡在哪里?不是在科学问题研究,而是工程化和产品化。

  十五的时候是科研驱动,十一五是示范应用,十一五也是我们中国氢能源燃料电池产业世界上处于最高水平的时候,因为我们基本上跟国际竞争水平没有太大的差距,某些领域我们还是有优势的。在十二五期间我们燃料汽车是进入了低潮期,中国燃料电池汽车发展就是以上汽为代表,所以我们定义了整车牵引。十三五我们认为更多是要面向市场做一些事。

  日本的状况和中国的状况,这里大家看得比较清楚,日韩密度要大得多,美国现在还是在西海岸线比较多。加氢站另外一个角度,我个人认为德国做得比较好,欧洲这边,因为我们2013年跟欧盟交流的时候,他们就说我们要建高速公路加氢站。包括德国的规划,他们牛吹得挺大,但现在看基础设施建设的非常好。去年我参加会议的时候,有一个政客,他在批判政府,德国一直号称是汽车强国,新能源汽车发展起来以后,日本把氢能做好了,中国把纯电动汽车做好了,德国的汽车未来在哪里。他们在批判政府的时候说的,但当初我看过相关的数据,实际上德国在氢能,燃料电池发展的过程中,他们扮演的角色,他们最主要的作用就是把这个加氢站建好,更多的是让企业做核心技术。

  第一点介绍一下燃料电池技术与产业发展现状。燃料电池的原理大家都比较清楚,就是氢能转化反应。燃料电池不能说是燃烧电池,电池燃烧就完蛋了,我们燃料电池是不燃烧的,是低温的化学方面。燃料电池发动机系统,到底包含了哪些?我们同济大学基本上统计了,从DCDC为一个界限,驱动电机跟电池我们认为是整车的组成部分。燃料电池在不同的车辆上就是不同的燃料电池车。我们讲燃料电池的时候,在2002年的时候大家都注意到了,已经建立了氢能的团队,如果没有氢能,发展燃料电池就是一句空话。