同濟大學許思傳：燃料電池關鍵技術問題須系統性解決
圖為同濟大學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’第二屆動力電池應用國際峰會暨第三屆中國電池行業智能制造研討會”在北京舉辦。本屆峰會由中國化學與物理電源行業協會和電池中國網共同主辦，天津力神電池股份有限公司聯合主辦；中國化學與物理電源行業協會動力電池應用分會承辦，無錫先導智能裝備股份有限公司聯合承辦。參加此次峰會人數超600人。
17日上午，在以“現狀與未來：縱論車用燃料電池”為主題的燃料電池汽車市場分論壇上，同濟大學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中關鍵技術的研究進展。以下為演講實錄：
大家上午好！今天主要給大家介紹一下同濟大學新能源汽車工程中心，在燃料電池系統關鍵部件以及系統集成中的幾個比較關鍵技術點，跟各位分享一下我們做的一些工作。
國際上，能源安全和環境污染兩個方面引起了越來越多的重視。個人認為，燃料電池是解決能源安全和環境污染當中最有效的一種途徑。我們國家燃料電池獲得了整個投資界的極大關注。
我剛進入這個領域時，我們工程中心的前主任萬鋼部長曾對我說，我們希望能夠把燃料電池系統做成燃料電池發動機，像一個傳統的發動機一樣裝在車的前艙中上就可以運行。那時是2003年，十幾年以后，這個已經變成現實。右下角圖，是通用的一個燃料電池系統，把驅動電機集成在一起，真正是燃料進去、氧化劑進去，輸出機械功，這個機械功由電機完成，所以真是變成一個燃料電池發動機。這個燃料電池發動機，最核心的部件是電堆，相當于傳統發動機的汽缸，完成了把氫氣的化學能轉化為電能這樣一個過程。要使該過程高效進行，必須有燃料供給系統、空氣供給系統、水熱管理系統和控制系統，這些都跟傳統發動機極其類似。我主要介紹這五個系統中我個人認為比較關鍵的幾個點。
其中，空氣供應系統，最主要是它的壓縮機。空氣要靠壓縮機提供動力，使它按照我們的要求進入電堆中去。壓縮機有很多類型，根據比較和分析，我們認為，燃料電池最適合使用的是離心式壓縮機。考慮到車用以及燃料電池的特點，離心式壓縮機最大的挑戰有兩點：第一點要無油潤滑，第二點要高速。因為車用壓縮機的體積要求很嚴格，高速我們認為最好能夠在10萬轉以上。但考慮到電機軸承現狀，目前國際上基本有兩大類：一類是單級增壓，它的轉速很高，比如說達到10萬轉、15萬轉；第二種類型可以采用雙級增壓，這個時候電機的轉速相對可以做到比較低，比如可以做到7萬轉、8萬轉這樣的量級。另外還有一個方向，對壓縮機而言，采用單機增壓，是不是帶膨脹機？所謂的膨脹機，即可以利用燃料電池的排氣回收一部分能量，幫助電機驅動壓縮機。我們認為，這種情況從技術先進性來講很有必要。
舉個例子，一個80千瓦的燃料電池發動機，如果不加膨脹機，壓縮機需要功率大約20千瓦左右，加上一個膨脹機可以回收6~7千瓦，整個燃料電池系統的效率會有很大提高。所以我們認為，空氣供應系統中，關鍵部件最終的解決方案是離心壓縮機帶膨脹機，轉速在10萬轉到15萬轉之間這樣的解決方案。
對壓縮機，目前我們國內在這方面做的工作相對比較欠缺，缺少正向開發。所以，我們認為，必須關注關鍵部件的開發。這里面，根據燃料電池特殊的需要，開發相應的葉輪、渦殼、擴壓器、電機及控制器，這極為重要。
這個圖給出了傳統的增壓器工作范圍。目前，國內很多壓縮機生產廠商，在很大程度上借鑒傳統的汽車增壓器設計。左邊圖，這個區間是傳統的增壓器工作區間，要提高燃料電池效率，化學計量比的范圍很大，整個系統的效率會極大下降。燃料電池專用壓縮機的渦輪，如何把它的喘振線向左移，這是葉輪、渦殼、擴壓器設計當中的一個關鍵點。
第二個關鍵部件氫氣循環系統。國家十五、十一五做的燃料電池系統大多數采用低壓系統，它的氫氣是不循環的。我們知道這種情況，它的氫氣利用率會比較低，而且很容易產生堵塞，目前，國內、國際正在研發的燃料電池系統，毫無例外采用氫氣循環。氫氣循環有兩種方式：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泵的方式，像豐田采用的方式。我們認為這兩種方式都可以很好地解決工程問題，相對而言采用引射的方式，整個結構很簡單，成本很低；而采用氫氣循環泵的方式，可根據需求調節氫氣的循環量，調節的自由度很大。當然國外也有兩種結合在一起的方案，利用氫氣循環泵、引射并聯運行，根據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計的氫氣循環器，經過我們的實踐，引射器可以在很大的范圍內來滿足燃料電池系統循環的需要。
下面我想介紹一下關于系統集中的幾個關鍵技術點。第一個問題是低溫啟動。在低溫啟動中，燃料電池系統要解決低溫啟動的問題，我們認為需要做兩件事情，第一個是停機的吹掃；一個是啟動的加熱。停機的吹掃，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膜的影響。吹掃解決什么問題？主要是把電堆停機時產生的水吹掉，使儲存過程不結冰或少結冰。那么，到底用什么介質吹掃、吹掃多長時間？如果吹掃的時間很短，電堆當中水的量仍然很多，在低溫情況下仍然會結冰，甚至會刺穿質子交換膜。這個度就是吹掃中的一個關鍵點。可以通過實驗的方法研究不同的吹掃方法膜當中含水量的規律，這是停機吹掃的過程。
啟動的過程，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行加熱，大家知道電池本身低溫啟動性很差，所以利用這種方法，一個方面我們說，它的可行性不高，另外一個方面，我們大家知道利用外部加熱的時間極長，因為要利用外部加熱要使得催化層的冰融化，這個過程是極其緩慢的。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的問題。
我們認為解決低溫啟動豐田方法是比較好的方法，所謂利用自加熱的方式，就是說在低溫環境下，拉功率，在催化層當中產生熱，這個時候的核心關鍵點是電堆工作的電壓很低，就是說產生的電功率極少，絕大部分氫氣的化學能都變成熱能，用于對催化層、對電堆進行加熱，比如說豐田做到0.08V，這樣會帶來兩個挑戰，第一個，對電堆一致性的挑戰，第二個，對DC/DC的控制帶來極大的挑戰。目前我們國內生產電堆，大家知道它的一致性相對來說還都是比較差的，如果采用這種辦法，對電堆的損害會比較大。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，我們利用產生的電通過外部加熱對系統進行加熱，兩種方式結合在一起，實現零下20度的低溫啟動應該是沒問題的，當然對實現零下30度的低溫啟動，又要對電堆的壽命影響較少的話，實際上要對電池的一致性提出更高的要求。
下面一個關鍵問題是空氣供應系統的控制問題。我們在十五、十一五，包括北京奧運會、上海世博會，燃料電池用的系統是低壓系統，低壓系統對空氣供應系統的控制相對來說比較簡單，因為它的壓力低。現在，為了提高整個系統的功率密度，毫無例外地采用這種所謂的中高壓系統。特別是中壓系統，在世界上廣泛應用，解決壓力和流量控制的解耦問題，如何在控制當中實現兩者解耦，就可以獨立控制其流量和壓力。這是一個關鍵點。
第二個關鍵點，環境適應性。高原環境，現在我們廠商絕大部分情況下還沒考慮到現在燃料電池系統將來到西藏、到高原上，它的性能會如何。同濟大學環境實驗室做過模擬，當大氣壓力下降時，它的性能會下降很多，因此在系統設計和控制的時候，就要考慮到這方面。這方面兩個措施：第一，在設計壓縮機的時候，就要考慮高原環境下的壓力、流量如何設計；第二，控制算法當中就要考慮到，高原環境下如何調整壓縮機的工作點、工作工況。
為了實現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力系統當中的背壓閥和壓縮機的轉速，控制兩者之間，實現聯合控制，可以實現它的流量、壓力的解耦控制。
氫氣功能系統當中，除了剛才我們說的一個引射裝置當中，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入到燃料電池系統當中氫氣的流量和壓力，同時和空氣系統當中的壓力聯動，保證兩者之間的壓差不超過0.5。這個是我們利用電控噴氫實現對氫氣的壓力和空氣壓力控制的結果，實際控制結果還比較好。
系統集成當中另外一個問題，就是水熱管理問題，大家知道，在傳統的發動機中、傳統汽車當中，我們最早叫冷卻系統，后來叫熱管理系統，到了燃料電池時代我們叫做水熱管理系統，為什么？燃料電池系統中的水管理至關重要，我們要保證質子交換膜中，有足夠的水分，同時陰極和陽極又不能產生堵水。第二個問題，和傳統發動機比起來，燃料電池的效率盡管提高，但是通過冷卻系統散走的熱量要遠遠高于傳統的發動機，所以對一個全功率的燃料電池系統，它的冷卻系統、熱管理系統如何設計，更是至關重要的點。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到電堆中空氣和氫氣的相對濕度。相對濕度跟溫度緊密相關。舉個例子，如果在冬天環境下，如果說下雨天，其相對濕度假設在95%的話，他的溫度這時候只有5度或者說10度，我經過壓縮機壓縮以后，他的溫度變成70度、80度，這個時候他的相對濕度就會從95%變到5%，甚至比5%還要低，這是及其干燥的情況，如果進到電堆去，會把膜當中的水分吸干，如何來解決它？當然通過加濕器，這種解決方案是比較簡單的。但是我們大家知道，豐田采用自增濕以后，進到電堆當中幾乎接近于干空氣，這個時候燃料電池當中的水管理和熱管理如何來緊密耦合，就是他的一個關鍵的技術點。
要實現這樣一個點，我們如何來解決它的膜當中含水量的估計，這又是一個很關鍵的手段，就是說我要控制的時候，要知道膜當中到底含有多少水分，這個含水分的多少會決定我如何來控制它，所以我們也開發了一個膜當中含水量估計的方法，簡單講，通過DC/DC，加上一個微小的交流電信號，通過這樣一個交流電信號來估計膜當中的含水量，這個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。我前邊講過低溫啟動的吹掃，吹掃多長時間膜當中的含水量能夠達到我們要求的不高也不低這樣一個狀態，這樣一個手段就為我們控制提供了一個很好的保障。
我們有了膜中含水量的估計手段以后，就可以來判斷電堆工作中膜的含水是處于正常狀態、吹干狀態、還是加濕狀態。根據它處的不同狀態，我們來調節空氣的壓力、空氣的流量、冷卻液的溫度。這個道理比較簡單，如果說空氣的壓力降低的話，這時候它吸水的能力會增加，它的流量增大的話，它的吸水能力也會增加，它的溫度降低的話，相對濕度會增加。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，我們可以再根據膜中含水量估計的值來調整膜中的含水量。我們認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、系統集成中還有很多的點，比如說啟動、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，是燃料電池系統集成控制中很關鍵的問題，只有把這些問題全部都解決了以后，整個燃料電池系統的耐久性、經濟性和動力性會得到很好的提高。我們認為，燃料電池公交車要達到5萬小時，僅僅靠一個孤立的點是很難完成的。
我今天介紹這么多。謝謝大家！
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