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，使之成為車用燃料電池的主流選擇。為了促進國內(nèi)PEMFC的發(fā)展，由上海燃料電池商業(yè)化促進中心和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計劃項目科學(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準化技術(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)外標準16項

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演講題目

燃料電池系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

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演講實錄

      非常榮幸給大家做一個簡單的報告，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大學(xué)在質(zhì)子交換膜燃料電池進展，以及我們從事燃料發(fā)動機的感受。

　　點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?，是低溫的化學(xué)方面。燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)，到底包含了哪些?我們同濟大學(xué)基本上統(tǒng)計了，從DCDC為一個界限，驅(qū)動電機跟電池我們認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候，在2002年的時候大家都注意到了，已經(jīng)建立了氫能的團隊，如果沒有氫能，發(fā)展燃料電池就是一句空話。

　　氫能在重點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口石油的，這個可能是對于我們國家能源戰(zhàn)略是非常重要的一點。

　　我們現(xiàn)在能源體系存在的問題比較清楚了，主要兩點個是能源安全，第二個是碳排放，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，因為我是在氫能聯(lián)盟擔(dān)任副秘書長，這些觀點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、?；旧蠈硇枰媚茉吹亩紩玫剿?，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，但氫能是整個應(yīng)用的基礎(chǔ)。因為它的應(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，個是減少燃油的依賴，第二個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，同濟大學(xué)包括我們團隊，一直的觀點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。這個優(yōu)勢隨著技術(shù)的發(fā)展，這個過程中可能會發(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。因為我們國家雖然這個產(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。因為他們在日常生活中接收到了足夠多的信息。

　　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年底的時候，大家統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，正在運營的加氫站達到369座，其中273座和傳統(tǒng)加油站一樣運營。我個人認為這個還是比較客觀的，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。加氫站另外一個角度，我個人認為德國做得比較好，歐洲這邊，因為我們2013年跟歐盟交流的時候，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候，有一個政客，他在批判政府，德國一直號稱是汽車強國，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候說的，但當初我看過相關(guān)的數(shù)據(jù)，實際上德國在氫能，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，我個人認為還是非常痛苦的，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)化時代已經(jīng)到來了，正在進入商業(yè)化的過程中，對我們國家而言機會還是有的。因為去年調(diào)研時，總理就問了兩個問題，個是中國新能源電動汽車能不能追上日本，第二個如果要追上需要政府做什么?總的來說我認為我們機會還是非常大的。因為我們起步還是非常早的，世博會的時候，聽到中國的氫燃料電池，世博會的時候是*di一次這么大規(guī)模做的燃料電池汽車。第二個給大家介紹一下我國燃料電池發(fā)動機技術(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)遠遠沒有達到歐美相關(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，把過去幾年分為四個階段：

　　十五的時候是科研驅(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水平的時候，因為我們基本上跟競爭水平?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。十三五我們認為更多是要面向市場做一些事。

　　整個產(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?這個是2018年初的時候，統(tǒng)計大概是200多個。上個月跟一個同行聊的時候，可能中國只要達上氫能源燃料電池的，200個后面加個零可能還不止。這至少反應(yīng)了大家對這個行業(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、電源各個領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用。實際上同濟大學(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小時示范應(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產(chǎn)品發(fā)展的核心，燃料電池研發(fā)時，我們從微觀到宏觀進行了大量的研究。燃料電池汽車、發(fā)動機相關(guān)環(huán)節(jié)之間耦合度非常高，如果僅僅是做一個系統(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，整個過程中，宏觀來分析，同時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。

　　另外一個我們是具備30-400kW燃料電池發(fā)動機開發(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?，F(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，這幾個的意思是說，現(xiàn)在科學(xué)問題的研究，整個團隊、人才各方面，同濟大學(xué)現(xiàn)在做了單體電壓0.6V，我們一個教授的目標是在6安培每平方厘米的時候是做到0.6V。我當時說你們做得這么牛，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)品的要求永遠是高安全性、高比功率。在車輛的利用上，還有一個材料安全，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，永遠只能修修補補。

　　燃料電池的時變性、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)標準參數(shù)不一樣，因為我們電堆一致性不一樣，我們關(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。

　　給大家舉這么一個例子，世博會的時候，原來我們一百多輛觀光車，其中有一輛車，因為車子在跑的時候也老出問題，其中一輛觀光車在展廳里放了六年，當時我們覺得這個車肯定是一塌糊涂。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，但確實也有很多問題需要我們解決?？傮w來說，我們重點關(guān)注，車用的角度，車用的條件下要做率、高可靠寫、長壽命。

　　我個人認為我們國家燃料電池發(fā)動機主要技術(shù)瓶頸在兩部分，個是電堆，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。這個方案大家有興趣的話可以關(guān)注一下，因為前段時間大家重點討論的就是未來儲氫到底是什么樣的。燃料電池發(fā)動機剛才我也表達了我的觀點，核心材料與關(guān)鍵零部件缺失，第二個是工程化與產(chǎn)品化開發(fā)與驗證，需要大家投入大量的資源包括時間。

氫能利用核心平靜還是氫運儲成本上。如果把這些挑戰(zhàn)歸納起來，我認為關(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?當我們一直是面向補貼做的產(chǎn)品，如果是國家補貼要多四千瓦，或者是五千瓦，你做的所謂產(chǎn)品永遠不是產(chǎn)品。

　　從汽車角度滿足不了動力系統(tǒng)需求，第二個所有內(nèi)燃機在測試的時候，沒有一個內(nèi)燃機永遠工作在他的峰值功率的。一個人如果每天讓你100%的高強度工作，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?？茖W(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個小時以上的測試數(shù)據(jù)，這個確確實實是有的。所以當大家各位宣稱牛的時候，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。

　　后一個是給大家介紹一下，內(nèi)燃機系統(tǒng)，我們必須要借鑒內(nèi)燃機技術(shù)。另外內(nèi)燃機行業(yè)，相關(guān)的報告，內(nèi)燃機技術(shù)在燃料電池發(fā)動機應(yīng)用，去年一個年會時做了一個報告，內(nèi)燃機專家實際是瞧不起燃料電池的，第二個內(nèi)燃機比較恐慌。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，實際上燃料電池可以把它看成一個電化學(xué)的發(fā)動機，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。

　　實際上內(nèi)燃機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。

　　當然在這里面也是有一個差異性的，這個差異性主要體現(xiàn)在電堆的需求和燃燒需求是不一樣，這里面我也不說了。當你拿到電堆的時候要求是什么樣是非常清楚的。這里是內(nèi)燃機技術(shù)在燃料電池領(lǐng)域應(yīng)用的研究課題，個是以冷卻系統(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)燃機也有結(jié)冰的情況，但沒有像燃料電池這么嚴重。

　　內(nèi)燃機技術(shù)今后在燃料電池領(lǐng)域有那些探索內(nèi)容呢?我也做了一個建議，比如說像渦輪增壓器技術(shù)，向空氣壓縮機領(lǐng)域轉(zhuǎn)移應(yīng)用，包括先進材料技術(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)動機領(lǐng)域的應(yīng)用，包括噪聲余震都是有共性的。