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[荆门市龙泉中学]_新加坡淡马锡理工学院韩明:轻型车用空冷式质子交换膜燃料电池的研究与开发

2019年8月30日,第二届新能源汽车测试评价技术国际论坛在北京职工之家召开,本届论坛以“新标准 新技术 新发展”为年度主题,针对当前国内外新能源汽车领域最新的测试评价方法、标准、技术等作深度研讨交流,助推我国新能源汽车测试评价技术和标准体系进步、研发能力提升、专业人才培养、学术交流合作以及产业高质量发展。

新加坡淡马锡理工学院韩明博士发表了《轻型车用空冷式质子交换膜燃料电池的研究与开发》的主题演讲,内容如下:


新加坡淡马锡理工学院韩明博士

各位专家大家下午好,今天我报告的题目是轻型车用空冷式质子交换燃料电池的研究与开发。实际上,燃料电池的开发在中国已经有二十多年的历史。最早是在大连化物所,那个时候我们在进行九五重大攻关项目,就是研究车用燃料电池,当时由科技部组织。经过这么多年燃料电池一路走到今天确实不容易,从低谷到高谷、又从高谷到低谷现在又起来,今天真的有幸来参加这个论坛。

相信各位专家已经知道,燃料电池最基本的原理就是氢和氧,在燃料电池内部发生反应,它的产物是水、电、还有热。从原理上来看非常简单,但是从系统层面来讲它实际包括了几个部分,一个就是氢氧供给部分,还有水怎么排出来,还有就是这个热,实际就是水热管理,目前来看影响燃料电池的寿命以及稳定性是一个非常重要的环节。

现在根据燃料电池本身的结构,一个是空冷结构,一个水冷结构,现在是有两个系统,一个就是说水冷系统还有一个空冷系统。现在实际最典型的和最常用的,我们通常讲的燃料电池系统主要还是液态冷却系统,从电池的结构讲,整个系统包括了几个部分,我们看它包括了一个冷却系统,包括了空气供给系统,还有氢气的供给系统,以及还有控制系统。尤其是空气提供供给系统,现在是利用的压缩机,现在冷却系统也是用一些泵、这一些循环系统。所以真正来讲它的能耗尤其是空压机的能耗在整个系统来讲比较大。实际上在能源消耗这一块差不多能占到10%到20%。 但是,现在目前做大功率的和车用的始终还是用这空冷系统,就是水冷系统。

回顾一下最新燃料电池发展的情况,燃料电池最近几年发展的非常快,它的能量密度提高的很高,主要原因从这可以看到,这是本田的一个结构,最主要就是它的气体通道变小了、变窄了,所以它整个的电池就变窄了。从这我们可以看到最新的本田燃料电池、电堆跟前一个型号来讲功率基本差不多,但是你可以看它的功率密度增加了从1.9到了3.1,包括它的比功率从1.5到了2.0,实际这里面改变什么呢?就是改变了它的厚度。我们看另一个例子,这是最新的,就是丰田公司的基本结构。它也是采用了一种叫所谓的是3D结构这个网结构。整个来讲的话可以使它的电堆的高度从1.68到了1.34。这里面就是介绍了现在它从前一个型号到现在的米勒的型号它的电堆情况,我们可以看到90千瓦,现在变成了114千瓦,它的单电池从400到了370,你看它的体积这一块它从64到了37,它的比功率密度也达到了3.1,它的比功率实际达到了2.0,这里面最重要也是厚度,到了1.34。

包括像欧洲的真正技术进步就是在这设计上,好处是什么呢?比如说日本公司前一个型号90千瓦,现在是114千瓦,但是它的通道变小了,整个的厚度变薄了。它的性能会增加很多,这里面主要的原因是什么?实际上增加了通道里面的流速,它现在产生了吹少的作用,所以它现在性能也大幅度的提高。但是这有一个缺点,由于它的通道变窄、变小了所以这里面增加了阻力,所以现在必须用一些高压比如像压缩机。包括循环系统,都要增加它的泵压,所以它的系统就是像辅助性能消耗还是比较大的。

这里面是目前来讲主要的燃料电池公司的,它的一些性能情况。我们可以看到在这边的第一栏是大连新能源电力的电池结果,实际上它的比功率也是达到了很高,从水平来讲也是非常好的。这里面还有包括一些材料非常好的,由于通道变小就要用压缩机,刚才也讲了压缩机耗能是非常大的。现在来讲就要解决压缩机的耗能问题,目前来讲差不多有4种形式的压缩机,有叫罗茨、离心式的。

这里面举一个例子比较常用像本田公司用的它的离心式压缩机,如果你给它一个功率,你怎么去配这压缩机?怎么更合适。因为在配压缩机的时间,如果你配不好的话,因为它的耗能很大、效率又低。所以说我们一般是要根据压缩机的流量图来进行计算。这里面作为200多千瓦的电池,实际上在不同的压缩比情况下,因为这里面压缩机的比越高也就是压力增加越大它的耗能越大,从我们这里面可以看到200多千瓦的电池差不多需要20多千瓦到30千瓦的耗能,这还是算小的,真正来讲正在用的实际上已经达到了20%甚至达到了30%的。

现在作为空压机来讲这里面提高了气体的压力以后,它就克服了流体通道当中的阻力,这个燃料产生水很容易排出,另外一个好处就是增加了电池的电位,但是它的好处就是耗能另外它增加了系统的体积和重量,另外它还增加Costly,实际压缩机的值也是非常高的。

这系统要有一个冷却系统尤其是对大功率来讲,一般效率差不多在0.7伏以下工作,实际真正效率也就是在50%左右,所以它还是有非常大,差不多有一百多千瓦的热要排出来,所以现在系统尤其现在采用的很小的通道,所以这个阻力很大,它照样也有这缺点,增加了体积、重量以及它的Costly的成本。

这是一个系统刚才讲的现在目前车用的,包括现在最常用的燃料电池的系统,就是水冷的这一种电池系统,它整个系统的情况。但是我现在没有质量数据,但是从它的功率密度来看,本身来讲差不多是一点九个作为电力本身来讲,但是到了系统这一个层面,它只是0.31千瓦每升,它的功率也就是0.34也是比较少,目前来说作为DOE的标准实际上是0.64,现在看来还是差了很远,但是我相信这几个公司达到但是我还没数据,或许可能达到了。

现在我讲另外一个系统就是空冷系统,空冷统它的阴极是开放式的,它没有水扩容,它的整个冷却系统和空气的供给系统实际是合在一起的所以从结构来讲可以看到它是很简单的,实际就是氢罐加上氢气循环系统这是非常简单,目前主要用的比较多地方就是在无人机还有一些小型的包括自行车。我们可以看到它真正来讲能源消耗在这里面,就是像整个辅助性能消耗也是跟价格分配差不多,也是差不多5%到10%,从价格来看,因为它这里面就是用的风扇,价格非常低,不像压缩机、空压机要用冷却循环系统。

这一张表是最新的一些燃料电池就是作为空冷燃料电池的系统一些数据,我们从这里看了主要就是这几家公司,从这可以看到比功率达到了0.86,实际这个比功率已经超过了,就是作为空冷它已经超过了DOE的终极标准,它的功率密度现在也已经达到了0.5。现在来讲的话也是接近DOE的标准,我不知道丰田公司和本田公司什么情况了,但是我感觉他们的系统来讲如果能做大的话,也是可以用到车上的或者它的用处更广泛了。

这里面有一个巴拉德公司,它现在FCE020这个型,这个在很多地方通用,尤其是升降机,但是现在的问题是比功率非常低,另外它的功率密度也相当低,如果用到汽车上可能不行。有一家新加坡的公司,他们做的结果达到了相当高的水平,基本上现在功率密度接近DOE标准,如果放大完全可以用到车上去。

这就是我对目前两种系统进行的一些比较,这里可以看到作为液体冷却就是水冷系统要用压缩机,它的压力比常压高2到4倍,空冷就是用一个风扇。作为水冷就是液体冷却,从这两个来讲燃料供应系统基本是一样的,蒸式系统作为目前来讲大多数的水冷燃料还是要用蒸式的,作为空冷我介绍的都已经没有蒸湿的。但是对于水冷功率都是一百多千瓦,但是现在对于空冷的最大就是五千瓦,所以这还是一个问题。

作为整个来讲的话就是叫它的辅助系统,它的辅助系统来讲是水冷系统占了整个能量消耗20%到30%,空冷最大的也就是10%。从Costly来讲的话当然水冷高了,因为低压理论点位是要低的,另外就是说作为空冷,功率密度是比现在的水冷要低,由于压力的影响,也可能包括温度、包括湿度的影响。

另外一个就是环境,环境现在来讲很重要的。如果环境里面有灰尘,那么这一种来讲因为它是开放,刚才讲的燃料电池是开放式的,这个来讲的话也是一个问题,但是对风力系统来讲更重要了,如果没有过滤。为什么讲像压缩机、压缩空气来讲实际上是加了一个过滤器这一块耗能控制大,作为空冷是不是也有这问题,我是允许既是不干净也是可以的,就像我跟别人也进过,比如说像黄河,实际黄河非常脏,流速会沉到床底下,发大水都冲走,空冷是用的风少,所以我想即使是有一些灰尘也是没问题也是给它吹出去的。

现在还有一个很重要就是低温启动,后面我们也会讲因为我们也做了一些实验。现在致命的问题就是说一个单电池能不能把它做大,因为现在一个车,车用的都是一百千瓦至少80千瓦,现在来讲的话能不能给它做大,当然现在还是很困难,我们想能不能用其他的方法?比如说现在特斯拉的电池甚至上万的电池进行组合也是做的很好,我们现在也在考虑这一个问题,另外就是可靠性还有长久性、耐久性。这就是我刚才讲的都乐动力,这大马锡理工学院并出来,主要是用在无人机上。

这个可以看到厂房提供给我们的数据,是用的水冷堆来做的,但是从现在性能来看基本差不多,这里面主要的原因也是这样,因为水冷化学自量很低聚,也就是1.4或者1.5,所以真正的浓度来讲的话进口是21%,出口是10%甚至更低,真正在中间平均也就是百分之13到14%这样子,整个按照我们做法来看基本上差不多,也就是说它的压力对它的影响不是很大。

我们做了一个实验从40度最低,这进行了一个测试就是把电池放到这里面进行冷冻,冷冻差不多将近12小时。这是一个结果,当它在负20度以下五存了12个小时,差不多也就是不到2分钟内就启动了,但是如果说要在零下40度储存12小时,这个来讲响应时间相对要慢一点,但是达到最大功率最多也就是不到3分钟大概2分钟。

这是一些应用,现在目前来讲的话作为空冷电堆的应用,比如说刚才讲到UAV,另外一个是在非常干净的系统,目前如果有灰尘影响,我们能不能做一个小的系统最终用到车上我组成30到40千瓦,目前我也是在做这一件事情,如果有感兴趣的汽车公司愿意的话我们也可以合作做这一个事情。最终我是想法把它做到公共汽车上,因为现在我也是有方案,因为特斯拉小小18650已经做成非常成功的一个车,所以我相信这也是有机会的。

这是我的一个总结,就是空冷电堆系统非常简单,它的空气供给系统和水系统合在一起。现在我们的空冷电堆最先进的功率密度已经达到了0.8,从A-V来讲跟现在的水冷也差不多。另外一个在冷冻系统情况下作为冷启动我们也发现它的速度非常快,现在的问题就是怎么把它放大做到能够提高它的用途。

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