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(diǎn)，使之成為車用燃料電池的主流選擇。為了促進(jìn)國(guó)內(nèi)PEMFC的發(fā)展，由上海燃料電池商業(yè)化促進(jìn)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(kāi)。會(huì)上同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院副教授馬天才發(fā)表了主題演講。

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嘉賓介紹

     馬天才，同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，博士生導(dǎo)師，副教授，國(guó)家燃料電池汽車及動(dòng)力系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心副主任，中國(guó)氫能源與燃料電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書(shū)長(zhǎng)，國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目科學(xué)家，IEC電工學(xué)會(huì)燃料電池技術(shù)專家，全國(guó)燃料電池及液流電池標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員、中國(guó)工業(yè)節(jié)能與清潔生產(chǎn)協(xié)會(huì)電池回收與再利用分會(huì)專家、上海燃料電池商業(yè)化促進(jìn)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(kāi)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(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)16項(xiàng)

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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(shí)錄

      非常榮幸給大家做一個(gè)簡(jiǎn)單的報(bào)告，我從2000年開(kāi)始，像我們國(guó)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(jì)大學(xué)在質(zhì)子交換膜燃料電池進(jìn)展，以及我們從事燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的感受。

　　點(diǎn)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(shuō)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(dòng)機(jī)系統(tǒng)，到底包含了哪些?我們同濟(jì)大學(xué)基本上統(tǒng)計(jì)了，從DCDC為一個(gè)界限，驅(qū)動(dòng)電機(jī)跟電池我們認(rèn)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(shí)候，在2002年的時(shí)候大家都注意到了，已經(jīng)建立了氫能的團(tuán)隊(duì)，如果沒(méi)有氫能，發(fā)展燃料電池就是一句空話。

　　氫能在重點(diǎn)就是與各種可再生資源連接起來(lái)，我們都知道的風(fēng)能、太陽(yáng)能包括水力發(fā)電等等。這些能源都存在時(shí)間、空間的問(wèn)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(chǔ)。氫能的基礎(chǔ)上，我們可以做到能源更好的利用。在我們國(guó)家的層面上，如果我們把氫能充分利用起來(lái)，中國(guó)未來(lái)是不需要進(jìn)口石油的，這個(gè)可能是對(duì)于我們國(guó)家能源戰(zhàn)略是非常重要的一點(diǎn)。

　　我們現(xiàn)在能源體系存在的問(wèn)題比較清楚了，主要兩點(diǎn)個(gè)是能源安全，第二個(gè)是碳排放，我們國(guó)家的問(wèn)題跟我剛才說(shuō)的一樣，我們不是沒(méi)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(guò)聯(lián)盟發(fā)布的白pi書(shū)觀點(diǎn)，因?yàn)槲沂窃跉淠苈?lián)盟擔(dān)任副秘書(shū)長(zhǎng)，這些觀點(diǎn)也再給大家分享一遍。白pi書(shū)大家有興趣可以看一下。

　　我們認(rèn)為氫能至少?gòu)哪壳盀橹箽淠苁墙鉀Q有效的途徑，安全、清潔、低碳、?；旧蠈?lái)需要用能源的都會(huì)用到它，氫能產(chǎn)業(yè)的規(guī)模會(huì)比很大，相對(duì)來(lái)說(shuō)燃料電池是氫能利用有效的途徑，但氫能是整個(gè)應(yīng)用的基礎(chǔ)。因?yàn)樗膽?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(dòng)力轉(zhuǎn)型的方向，個(gè)是減少燃油的依賴，第二個(gè)是對(duì)車輛排放的需求，這些大家都比較清楚了，不光對(duì)于我們國(guó)家來(lái)說(shuō)，對(duì)于世界各國(guó)來(lái)說(shuō)都是非常重要的發(fā)展方向。尤其是現(xiàn)階段，在我們國(guó)家，在*范圍里大家都認(rèn)為燃料電池在長(zhǎng)距離的情況下優(yōu)勢(shì)明顯。大家都在討論燃料電池和純電動(dòng)到底是什么樣的關(guān)系，同濟(jì)大學(xué)包括我們團(tuán)隊(duì)，一直的觀點(diǎn)就是燃料電池跟純電動(dòng)不是一種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，不同技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域有各自的優(yōu)勢(shì)。這個(gè)優(yōu)勢(shì)隨著技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生變化，但總的來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)距離下燃料電池還是有更多優(yōu)勢(shì)的。

　　燃料電池在我們國(guó)家一系列政府文件，包括現(xiàn)在各級(jí)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(duì)來(lái)說(shuō)很*，我一直覺(jué)得日本做得比較好的一條是說(shuō)，他們?cè)诿癖娊逃@塊，一直是我比較羨慕的。因?yàn)槲覀儑?guó)家雖然這個(gè)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(tīng)到氫氣反應(yīng)就是安全問(wèn)題。有一次日本出租車司機(jī)非常自豪的告訴我，我們?nèi)毡緦?lái)會(huì)大力發(fā)展氫能。我就很差異，我說(shuō)你們不擔(dān)心安全嗎?他說(shuō)氫氣很安全。因?yàn)樗麄冊(cè)谌粘Ｉ钪薪邮盏搅俗銐蚨嗟男畔ⅰ?/span>

　　歐洲做了大量的工作，我們看我們國(guó)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(shí)候，大家統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，正在運(yùn)營(yíng)的加氫站達(dá)到369座，其中273座和傳統(tǒng)加油站一樣運(yùn)營(yíng)。我個(gè)人認(rèn)為這個(gè)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(guó)是27座，我們中國(guó)就很少了。前四個(gè)國(guó)家是日本多的，德國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)。我們不要說(shuō)未來(lái)有多少輛車，加氫站有多少站，每年加多少氫，實(shí)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(guó)的狀況，這里大家看得比較清楚，日韓密度要大得多，美國(guó)現(xiàn)在還是在西海岸線比較多。加氫站另外一個(gè)角度，我個(gè)人認(rèn)為德國(guó)做得比較好，歐洲這邊，因?yàn)槲覀?013年跟歐盟交流的時(shí)候，他們就說(shuō)我們要建高速公路加氫站。包括德國(guó)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(huì)議的時(shí)候，有一個(gè)政客，他在批判政府，德國(guó)一直號(hào)稱是汽車強(qiáng)國(guó)，新能源汽車發(fā)展起來(lái)以后，日本把氫能做好了，中國(guó)把純電動(dòng)汽車做好了，德國(guó)的汽車未來(lái)在哪里。他們?cè)谂姓臅r(shí)候說(shuō)的，但當(dāng)初我看過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)，實(shí)際上德國(guó)在氫能，燃料電池發(fā)展的過(guò)程中，他們扮演的角色，他們主要的作用就是把這個(gè)加氫站建好，更多的是讓企業(yè)做核心技術(shù)。

　　我們國(guó)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(gè)人認(rèn)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(shí)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(chǔ)備的問(wèn)題。

　　燃料電池汽車商業(yè)化時(shí)代已經(jīng)到來(lái)了，正在進(jìn)入商業(yè)化的過(guò)程中，對(duì)我們國(guó)家而言機(jī)會(huì)還是有的。因?yàn)槿ツ暾{(diào)研時(shí)，總理就問(wèn)了兩個(gè)問(wèn)題，個(gè)是中國(guó)新能源電動(dòng)汽車能不能追上日本，第二個(gè)如果要追上需要政府做什么?總的來(lái)說(shuō)我認(rèn)為我們機(jī)會(huì)還是非常大的。因?yàn)槲覀兤鸩竭€是非常早的，世博會(huì)的時(shí)候，聽(tīng)到中國(guó)的氫燃料電池，世博會(huì)的時(shí)候是*di一次這么大規(guī)模做的燃料電池汽車。第二個(gè)給大家介紹一下我國(guó)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和面臨的挑戰(zhàn)。我們國(guó)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(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到歐美相關(guān)企業(yè)的狀況，我們?cè)谏虾Ｊ腥剂掀嚠a(chǎn)業(yè)規(guī)劃時(shí)，把過(guò)去幾年分為四個(gè)階段：

　　十五的時(shí)候是科研驅(qū)動(dòng)，十一五是示范應(yīng)用，十一五也是我們中國(guó)氫能源燃料電池產(chǎn)業(yè)世界上處于gao水平的時(shí)候，因?yàn)槲覀兓旧细?jìng)爭(zhēng)水平?jīng)]有太大的差距，某些領(lǐng)域我們還是有優(yōu)勢(shì)的。在十二五期間我們?nèi)剂掀囀沁M(jìn)入了低潮期，中國(guó)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(rèn)為更多是要面向市場(chǎng)做一些事。

　　整個(gè)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(gè)?這個(gè)是2018年初的時(shí)候，統(tǒng)計(jì)大概是200多個(gè)。上個(gè)月跟一個(gè)同行聊的時(shí)候，可能中國(guó)只要達(dá)上氫能源燃料電池的，200個(gè)后面加個(gè)零可能還不止。這至少反應(yīng)了大家對(duì)這個(gè)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(gè)企業(yè)的行誰(shuí)做得比較早的，積累了比較多的數(shù)據(jù)，車、電源各個(gè)領(lǐng)域都有一定的應(yīng)用。實(shí)際上同濟(jì)大學(xué)雖然是做科研的，但我們相關(guān)的開(kāi)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(guò)一百多個(gè)小時(shí)示范應(yīng)用的數(shù)據(jù)?？梢赃@么說(shuō)，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(gè)產(chǎn)品發(fā)展的核心，燃料電池研發(fā)時(shí)，我們從微觀到宏觀進(jìn)行了大量的研究。燃料電池汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)環(huán)節(jié)之間耦合度非常高，如果僅僅是做一個(gè)系統(tǒng)，或者你跟你的供應(yīng)商和環(huán)境之間沒(méi)有深度合作，很難找到問(wèn)題的關(guān)鍵，整個(gè)過(guò)程中，宏觀來(lái)分析，同時(shí)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(huì)容易產(chǎn)生問(wèn)題。

　　另外一個(gè)我們是具備30-400kW燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)集成能力。電子控制技術(shù)我們有硬件軟件開(kāi)發(fā)，平臺(tái)我們也搭建起來(lái)了。現(xiàn)在也給國(guó)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?cè)诓牧?、熱量管理等方面也進(jìn)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(gè)的意思是說(shuō)，現(xiàn)在科學(xué)問(wèn)題的研究，整個(gè)團(tuán)隊(duì)、人才各方面，同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)在做了單體電壓0.6V，我們一個(gè)教授的目標(biāo)是在6安培每平方厘米的時(shí)候是做到0.6V。我當(dāng)時(shí)說(shuō)你們做得這么牛，為什么電堆做得這么矬。他說(shuō)科學(xué)問(wèn)題的研究，跟工程化問(wèn)題的研究*不是一回事。我想表達(dá)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(wèn)題研究，而是工程化和產(chǎn)品化。

　　我們可以直接觀測(cè)到內(nèi)部的電流分布，溫度分布的技術(shù)，這樣對(duì)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(duì)產(chǎn)品的要求永遠(yuǎn)是高安全性、高比功率。在車輛的利用上，還有一個(gè)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(shuō)，從車的角度我們核心的是說(shuō)只有材料技術(shù)的進(jìn)步，才能驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵部件這一步。有了這樣的技術(shù)，系統(tǒng)集成才會(huì)真正的進(jìn)步，我們現(xiàn)在做的是系統(tǒng)集成力度，如果離開(kāi)這些技術(shù)支撐，永遠(yuǎn)只能修修補(bǔ)補(bǔ)。

　　燃料電池的時(shí)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(biāo)準(zhǔn)參數(shù)不一樣，因?yàn)槲覀冸姸岩恢滦圆灰粯?，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(gè)例子，世博會(huì)的時(shí)候，原來(lái)我們一百多輛觀光車，其中有一輛車，因?yàn)檐囎釉谂艿臅r(shí)候也老出問(wèn)題，其中一輛觀光車在展廳里放了六年，當(dāng)時(shí)我們覺(jué)得這個(gè)車肯定是一塌糊涂。結(jié)果把電堆發(fā)動(dòng)系統(tǒng)拆下來(lái)，一測(cè)，額定功率照樣可以滿足。里面的水一打開(kāi)還可以，至少看起來(lái)不臟。所以說(shuō)很多東西，不像我們想象的那么差，但確實(shí)也有很多問(wèn)題需要我們解決?？傮w來(lái)說(shuō)，我們重點(diǎn)關(guān)注，車用的角度，車用的條件下要做率、高可靠寫(xiě)、長(zhǎng)壽命。

　　我個(gè)人認(rèn)為我們國(guó)家燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)瓶頸在兩部分，個(gè)是電堆，就是成本、冷啟動(dòng)的問(wèn)題。還有儲(chǔ)氫的角度，也是成本、安全性，包括儲(chǔ)氫密度的問(wèn)題。這個(gè)方案大家有興趣的話可以關(guān)注一下，因?yàn)榍岸螘r(shí)間大家重點(diǎn)討論的就是未來(lái)儲(chǔ)氫到底是什么樣的。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)剛才我也表達(dá)了我的觀點(diǎn)，核心材料與關(guān)鍵零部件缺失，第二個(gè)是工程化與產(chǎn)品化開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證，需要大家投入大量的資源包括時(shí)間。

氫能利用核心平靜還是氫運(yùn)儲(chǔ)成本上。如果把這些挑戰(zhàn)歸納起來(lái)，我認(rèn)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(dāng)我們一直是面向補(bǔ)貼做的產(chǎn)品，如果是國(guó)家補(bǔ)貼要多四千瓦，或者是五千瓦，你做的所謂產(chǎn)品永遠(yuǎn)不是產(chǎn)品。

　　從汽車角度滿足不了動(dòng)力系統(tǒng)需求，第二個(gè)所有內(nèi)燃機(jī)在測(cè)試的時(shí)候，沒(méi)有一個(gè)內(nèi)燃機(jī)永遠(yuǎn)工作在他的峰值功率的。一個(gè)人如果每天讓你100%的高強(qiáng)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(shí)候，只有七八十千瓦。

　　科學(xué)的問(wèn)題，我們也不能一棍子打死，可能說(shuō)有很多都是我們寫(xiě)出來(lái)的只是長(zhǎng)版，短版沒(méi)說(shuō)?？茖W(xué)問(wèn)題的研究，這方面的突破，對(duì)我們工程化研究提供了很強(qiáng)的支撐，關(guān)鍵的就是在于我們國(guó)內(nèi)，有哪家企業(yè)真的能拿出數(shù)據(jù)?有沒(méi)有真的測(cè)試?我們國(guó)內(nèi)唯yi見(jiàn)過(guò)的只有跟我們合作的一家單位，我看過(guò)他們是有7000個(gè)小時(shí)以上的測(cè)試數(shù)據(jù)，這個(gè)確確實(shí)實(shí)是有的。所以當(dāng)大家各位宣稱牛的時(shí)候，很多東西，你做產(chǎn)品，做工程化開(kāi)發(fā)，離開(kāi)這種精神是做不出來(lái)。

　　后一個(gè)是給大家介紹一下，內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，我們必須要借鑒內(nèi)燃機(jī)技術(shù)。另外內(nèi)燃機(jī)行業(yè)，相關(guān)的報(bào)告，內(nèi)燃機(jī)技術(shù)在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用，去年一個(gè)年會(huì)時(shí)做了一個(gè)報(bào)告，內(nèi)燃機(jī)專家實(shí)際是瞧不起燃料電池的，第二個(gè)內(nèi)燃機(jī)比較恐慌。就像大家看“革命是不是到來(lái)了”。一方面是批判，一方面又擔(dān)心，實(shí)際上燃料電池可以把它看成一個(gè)電化學(xué)的發(fā)動(dòng)機(jī)，只不過(guò)燃燒變成了電化學(xué)的過(guò)程，其他的輔助系統(tǒng)基本上類似的。

　　實(shí)際上內(nèi)燃機(jī)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(dāng)然在這里面也是有一個(gè)差異性的，這個(gè)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(shuō)了。當(dāng)你拿到電堆的時(shí)候要求是什么樣是非常清楚的。這里是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)在燃料電池領(lǐng)域應(yīng)用的研究課題，個(gè)是以冷卻系統(tǒng)為例，從車輛的角度來(lái)講，溫度提高以后散熱更容易。低溫冷啟動(dòng)這塊，內(nèi)燃機(jī)也有結(jié)冰的情況，但沒(méi)有像燃料電池這么嚴(yán)重。

　　內(nèi)燃機(jī)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(gè)建議，比如說(shuō)像渦輪增壓器技術(shù)，向空氣壓縮機(jī)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移應(yīng)用，包括先進(jìn)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(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括噪聲余震都是有共性的。