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    同濟大學馬天才:真正影響燃料電池汽車可靠性主要在于關鍵零部件

    發布日期: 2019-08-26
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    論壇PEMFC

    質子交換膜燃料電池(PEMFC)是如今火熱的話題,因其具有能量轉化效率高、噪音低、*等優點,使之成為車用燃料電池的主流選擇。為了促進國內PEMFC的發展,由上海燃料電池商業化促進中心和DT新材料聯合舉辦的2019年8月21-23日在上海召開。會上同濟大學汽車學院副教授馬天才發表了主題演講。

    PEMFC

    嘉賓介紹

         馬天才,同濟大學汽車學院,博士生導師,副教授,國家燃料電池汽車及動力系統工程技術研究中心副主任,中國氫能源與燃料電池產業創新聯盟副秘書長,國家863計劃項目科學家,IEC電工學會燃料電池技術專家,全國燃料電池及液流電池標準化技術委員會委員、中國工業節能與清潔生產協會電池回收與再利用分會專家、上海燃料電池商業化促進中心理事,International  Journal of Powertrains期刊客座編輯。持續從事燃料電池汽車研發18年,開發了200余輛燃料電池汽車和100余套燃料電池備用電源系統,主持參與國內外標準16項

    PEMFC

    演講題目

    燃料電池系統研發與應用

    PEMFC

    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在質子交換膜燃料電池進展,以及我們從事燃料發動機的感受。

      點介紹一下燃料電池技術與產業發展現狀。燃料電池的原理大家都比較清楚,就是氫能轉化反應。燃料電池不能說是燃燒電池,電池燃燒就完蛋了,我們燃料電池是不燃燒的,是低溫的化學方面。燃料電池發動機系統,到底包含了哪些?我們同濟大學基本上統計了,從DCDC為一個界限,驅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,已經建立了氫能的團隊,如果沒有氫能,發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,我們都知道的風能、太陽能包括水力發電等等。這些能源都存在時間、空間的問題,供給側和需求側的不平衡,有了氫能以后就可以做大規模的存儲。氫能的基礎上,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略是非常重要的一點。

      我們現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,而是我們能源結構,包括供給需求的差異性。但這些內容,我們通過聯盟發布的白pi書觀點,因為我是在氫能聯盟擔任副秘書長,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?,氫能產業的規模會比很大,相對來說燃料電池是氫能利用有效的途徑,但氫能是整個應用的基礎。因為它的應用比我們想象的要大得多。

     

      在車輛領域,燃料電池是我們動力轉型的方向,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展方向。尤其是現階段,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系,同濟大學包括我們團隊,一直的觀點就是燃料電池跟純電動不是一種競爭關系,不同技術在不同應用領域有各自的優勢。這個優勢隨著技術的發展,這個過程中可能會發生變化,但總的來說,長距離下燃料電池還是有更多優勢的。

      燃料電池在我們國家一系列政府文件,包括現在各級政府不同的規劃,相關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業很熱,不管是資本也好、政府也好,還是企業也好。但我們一直在民眾教育方面,普通人聽到氫氣反應就是安全問題。有一次日本出租車司機非常自豪的告訴我,我們日本將來會大力發展氫能。我就很差異,我說你們不擔心安全嗎?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展,燃料的發展,更多的要看加氫站的發展。2018年底的時候,大家統計的數據,正在運營的加氫站達到369座,其中273座和傳統加油站一樣運營。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,實際上就能夠反應出我們應用的狀況。

      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。包括德國的規劃,他們牛吹得挺大,但現在看基礎設施建設的非常好。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,但當初我看過相關的數據,實際上德國在氫能,燃料電池發展的過程中,他們扮演的角色,他們主要的作用就是把這個加氫站建好,更多的是讓企業做核心技術。

      我們國家的燃料電池汽車產業規劃到目前為止我們看的話,我個人認為還是非常痛苦的,包括技術包括產業發展的狀況,實際上都比較痛苦。雖然我們現在路線圖正在修訂,更多我們關注的還是氫氣儲備的問題。

      燃料電池汽車商業化時代已經到來了,正在進入商業化的過程中,對我們國家而言機會還是有的。因為去年調研時,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動機技術和面臨的挑戰。我們國家燃料電池汽車發展還是在政府的引導下做的,雖然有的企業在參與,但我們企業遠遠沒有達到歐美相關企業的狀況,我們在上海市燃料汽車產業規劃時,把過去幾年分為四個階段:

      十五的時候是科研驅動,十一五是示范應用,十一五也是我們中國氫能源燃料電池產業世界上處于gao水平的時候,因為我們基本上跟競爭水平沒有太大的差距,某些領域我們還是有優勢的。在十二五期間我們燃料汽車是進入了低潮期,中國燃料電池汽車發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。

      整個產業鏈集群初步形成。這里面大家比較關注的是企業有多少個?這個是2018年初的時候,統計大概是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。這至少反應了大家對這個行業還是比較關注比較有信心的。

     

      燃料電池整車發展,我們這個企業的行誰做得比較早的,積累了比較多的數據,車、電源各個領域都有一定的應用。實際上同濟大學雖然是做科研的,但我們相關的開發包括技術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用的數據??梢赃@么說,真正的燃料電池汽車影響可靠性的主要目的在于關鍵零部件,可靠性與耐久性是一個產品發展的核心,燃料電池研發時,我們從微觀到宏觀進行了大量的研究。燃料電池汽車、發動機相關環節之間耦合度非常高,如果僅僅是做一個系統,或者你跟你的供應商和環境之間沒有深度合作,很難找到問題的關鍵,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研究的,他們從微觀角度,這樣大家是會容易產生問題。

      另外一個我們是具備30-400kW燃料電池發動機開發集成能力。電子控制技術我們有硬件軟件開發,平臺我們也搭建起來了?,F在也給國內很多企業做技術輸出。

      關鍵零部件這塊,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,現在科學問題的研究,整個團隊、人才各方面,同濟大學現在做了單體電壓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。他說科學問題的研究,跟工程化問題的研究完全不是一回事。我想表達的是我們是有很多卡脖子的技術,卡在哪里?不是在科學問題研究,而是工程化和產品化。

      我們可以直接觀測到內部的電流分布,溫度分布的技術,這樣對系統集成的控制,是非常有幫助的。站在車輛的角度,我們對產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的進步,才能驅動關鍵部件這一步。有了這樣的技術,系統集成才會真正的進步,我們現在做的是系統集成力度,如果離開這些技術支撐,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鍵挑戰。我們非常清楚的,每套系統標準參數不一樣,因為我們電堆一致性不一樣,我們關鍵零部件一致性不一樣,所以后在不同的工況下,出現的情況完全不一樣。

      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。結果把電堆發動系統拆下來,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動機主要技術瓶頸在兩部分,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。燃料電池發動機剛才我也表達了我的觀點,核心材料與關鍵零部件缺失,第二個是工程化與產品化開發與驗證,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。如果把這些挑戰歸納起來,我認為關鍵的一條就是面向產品化的技術,產品化尤其是大功率燃料電池工程化與產品化技術,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,你做的所謂產品永遠不是產品。

      從汽車角度滿足不了動力系統需求,第二個所有內燃機在測試的時候,沒有一個內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,你的持續性可以嗎?燃料電池也是一樣的。雖然現在是一百千瓦燃料電池系統,真正工作的時候,只有七八十千瓦。

      科學的問題,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,關鍵的就是在于我們國內,有哪家企業真的能拿出數據?有沒有真的測試?我們國內唯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據,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,你做產品,做工程化開發,離開這種精神是做不出來。

      后一個是給大家介紹一下,內燃機系統,我們必須要借鑒內燃機技術。另外內燃機行業,相關的報告,內燃機技術在燃料電池發動機應用,去年一個年會時做了一個報告,內燃機專家實際是瞧不起燃料電池的,第二個內燃機比較恐慌。就像大家看“革命是不是到來了”。一方面是批判,一方面又擔心,實際上燃料電池可以把它看成一個電化學的發動機,只不過燃燒變成了電化學的過程,其他的輔助系統基本上類似的。

      實際上內燃機和燃料電池有很多相似性,包括結構相似性、用途相似性、技術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。這里是內燃機技術在燃料電池領域應用的研究課題,個是以冷卻系統為例,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,內燃機也有結冰的情況,但沒有像燃料電池這么嚴重。

      內燃機技術今后在燃料電池領域有那些探索內容呢?我也做了一個建議,比如說像渦輪增壓器技術,向空氣壓縮機領域轉移應用,包括先進材料技術、加工技術在結構方面的應用。包括多缸流體分配技術在多模塊燃料電池發動機領域的應用,包括噪聲余震都是有共性的。

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