在上海同濟(jì)大學(xué)和德國(guó)斯圖加特大學(xué)聯(lián)合舉辦的第二屆上海-斯圖加特汽車及動(dòng)力技術(shù)國(guó)際研討會(huì)上,來(lái)自同濟(jì)大學(xué)的張新豐博士分享了關(guān)于燃料
電池的學(xué)術(shù)見解。
2017年10月27日,在上海同濟(jì)大學(xué)和德國(guó)斯圖加特大學(xué)聯(lián)合舉辦的第二屆上海-斯圖加特汽車及動(dòng)力技術(shù)國(guó)際研討會(huì)上,來(lái)自同濟(jì)大學(xué)的張新豐博士分享了關(guān)于燃料電池的學(xué)術(shù)見解。會(huì)后,汽車氪對(duì)張新豐博士進(jìn)行了專訪:
汽車氪:同濟(jì)大學(xué)從哪一年開始研究的燃料電池?
張新豐:同濟(jì)大學(xué)是最早研究氫燃料電池的研究機(jī)構(gòu)之一,我們最早在1998年開始了燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的研究,從最早期側(cè)重于燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā),逐步過(guò)渡到燃料電池系統(tǒng)集成,及擴(kuò)展到輔助系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的開發(fā),目前在燃料電池電堆建模、系統(tǒng)集成與控制、測(cè)試驗(yàn)證方法與工具鏈等方面均有研究。在電堆材料方面,膜電極、催化劑、雙極板等均取得了一定的成果。
汽車氪:您參與編寫了《氫燃料電池汽車發(fā)展技術(shù)路線圖》,談一談你對(duì)中國(guó)發(fā)展燃料電池汽車的看法?
張新豐:燃料電池汽車相關(guān)的主要課題已經(jīng)逐步地從政府主導(dǎo)的攻關(guān)階段進(jìn)入到工程化、產(chǎn)業(yè)化及商業(yè)化階段,經(jīng)過(guò)近20年的探索,產(chǎn)業(yè)界逐步形成了兩種發(fā)展思路。第一種思路,要求政府繼續(xù)組織攻關(guān),突破燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù),在功率密度、效率、耐久性、環(huán)境適應(yīng)性等性能方面取得至少與內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)?shù)乃剑蝗缓笤僦鸩酵茝V應(yīng)用。第二種思路,要求政府提供適當(dāng)?shù)拇碳ふ,率先在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)燃料電池的產(chǎn)業(yè)化,不要拘泥于完全自主開發(fā),(黑貓白貓都可以,讓大家看到這個(gè)產(chǎn)業(yè)有利可圖),然后吸引民間資本,對(duì)創(chuàng)業(yè)公司進(jìn)行投資,邊產(chǎn)業(yè)化邊發(fā)展,實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)發(fā)展。兩種發(fā)展思路都有道理、都在走。這次發(fā)布的國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目指南來(lái)看,也能看出這點(diǎn)。
汽車氪:氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)周期如何?
張新豐:燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該有自己的開發(fā)節(jié)奏,主要有以下原因:
1)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)周期更長(zhǎng)。從MEA到電堆,從電堆到發(fā)動(dòng)機(jī),從發(fā)動(dòng)機(jī)到整車動(dòng)力系統(tǒng),創(chuàng)新鏈也很完整,但是我們忽略了每個(gè)環(huán)節(jié)指標(biāo)的提升所需要花費(fèi)的時(shí)間是不一樣的?偟膩(lái)說(shuō),膜電極材料體系的驗(yàn)證成熟要比電堆集成慢;電堆集成要比發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)慢;燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)周期要比整車動(dòng)力系統(tǒng)慢,慢很多。2)相較于整車零部件來(lái)說(shuō),燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件和產(chǎn)業(yè)鏈更不完整,往往電堆找不到合適的壓縮機(jī),找不到合適的加濕器;目前,小型專用壓縮機(jī)是制約高功率密度燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的主要瓶頸。3)燃料電池電堆與輔助系統(tǒng)的耦合要比發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)的耦合更加緊密,前者涉及到燃料、供氣、冷卻、電力及控制信號(hào)方面的協(xié)調(diào);后者主要是功率的動(dòng)態(tài)匹配與調(diào)控。因此燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)作為一個(gè)產(chǎn)品形式,具有一定的完整性。
汽車氪:氫燃料電池的開發(fā)難度在哪里?
張新豐:一方面:燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是目前該領(lǐng)域最復(fù)雜的、多學(xué)科集成的動(dòng)力系統(tǒng)之一,涉及材料學(xué)、電化學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、控制理論等眾多領(lǐng)域,需要在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和高載荷的嚴(yán)酷條件下工作,并滿足重量輕、可靠性高、安全性好、壽命長(zhǎng)、高效率等眾多十分苛刻而又互相矛盾的要求。另一方面:燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的研制,我個(gè)人認(rèn)為,不亞于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制,只是努力的方向不一樣,低成本、高可靠性(ECU級(jí)別50-100ppm, 動(dòng)力系統(tǒng)0.1%)
汽車氪:您認(rèn)為提高氫燃料功能密度的技術(shù)難點(diǎn)在哪里?
張新豐:提高燃料電池系統(tǒng)功率密度需要從以下幾個(gè)方面入手:1)提高電堆的工作電流密度;依賴膜電極材料的改善,減小活化/歐姆/擴(kuò)散損失,需要采用更薄的離子交換膜,有更活性的催化劑,透氣性更好、疏水性更好的擴(kuò)散層,優(yōu)化流場(chǎng)設(shè)計(jì)等。2)減小電堆和系統(tǒng)的體積,比如采用更薄的雙極板,更小的空壓機(jī)等輔助系統(tǒng)零部件,以及集成設(shè)計(jì)等;3)提供相應(yīng)工作電流密度下所需的陰極氣流,也是就是需要較大壓比和較大流量的空氣。以上這些方法均具有很大的挑戰(zhàn)。
汽車氪:氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)周期是怎樣的?
張新豐:燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該有自己的開發(fā)節(jié)奏,主要有以下原因:
1)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)周期更長(zhǎng)。從MEA到電堆,從電堆到發(fā)動(dòng)機(jī),從發(fā)動(dòng)機(jī)到整車動(dòng)力系統(tǒng),創(chuàng)新鏈也很完整,但是,我們忽略了每個(gè)環(huán)節(jié)指標(biāo)的提升,所需要花費(fèi)的時(shí)間是不一樣的?偟膩(lái)說(shuō),膜電極材料體系的驗(yàn)證成熟要比電堆集成慢;電堆集成要比發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)慢;燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)周期要比整車動(dòng)力系統(tǒng)慢,慢很多。2)相較于整車零部件來(lái)說(shuō),燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件和產(chǎn)業(yè)鏈更不完整,往往電堆找不到合適的壓縮機(jī),找不到合適的加濕器;小型專用壓縮機(jī)目前是制約高功率密度燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的主要瓶頸。3)燃料電池電堆與輔助系統(tǒng)的耦合要比發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力系統(tǒng)的耦合更加緊密,前者涉及到燃料、供氣、冷卻、電力及控制信號(hào)方面的協(xié)調(diào);后者主要是功率的動(dòng)態(tài)匹配與調(diào)控。因此燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)作為一個(gè)產(chǎn)品形式,具有一定的完整性。
汽車氪:燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)有哪些性能需要綜合考慮?
張新豐:剛剛我說(shuō)到,燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的難度很大。一方面,他需要考慮的性能方面非常多,有動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、適應(yīng)性、可靠性、還有動(dòng)態(tài)響應(yīng)、功率品質(zhì)、安全性、環(huán)境友好等等;另一方面不同性能之間形成相互制約/相互折中。與Ludwig Joorison交流時(shí),談到日本某汽車企業(yè)大功率燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī),我們都在想,為什么功率要達(dá)到115kW? 后備功率?是不是以成本換取耐久性、換取經(jīng)濟(jì)性?等等,燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的策略,指標(biāo)的調(diào)整和優(yōu)化方法是企業(yè)的核心機(jī)密。為了使得各種指標(biāo)具有可比性,必須采用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法,但更重要的是開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試工具、建立標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。
汽車氪:那如何加快燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)節(jié)奏?
張新豐:國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā),基本沒有國(guó)外的技術(shù)來(lái)源,引進(jìn)消化吸收的可能性比較小,只能走正向開發(fā)的道路。開發(fā)過(guò)程中所需的測(cè)試方法、設(shè)備及工具也很少。特別強(qiáng)調(diào),利用先進(jìn)的測(cè)試?yán)砟詈蜏y(cè)試思維,建立從零部件驗(yàn)證、子系統(tǒng)靜態(tài)匹配,動(dòng)態(tài)模型與算法測(cè)試驗(yàn)證、系統(tǒng)集成驗(yàn)證、發(fā)動(dòng)機(jī)性能評(píng)價(jià)、道路環(huán)境下技術(shù)驗(yàn)證的完整測(cè)試工具鏈和驗(yàn)證體系。張新豐,承擔(dān)及參與科技部電動(dòng)汽車專項(xiàng)、重大儀器專項(xiàng)等多項(xiàng),發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇,申請(qǐng)/授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng),出版教材與著作2部《質(zhì)子交換膜燃料電池建模與Matlab仿真》《汽車電子控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)》,有8年燃料電池系統(tǒng)集成經(jīng)驗(yàn),參與編寫《中國(guó)節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖——氫燃料電池汽車發(fā)展技術(shù)路線圖》
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