车用燃料动力电池系统的关键技术及发展趋势

有关全球的挑战，大家都比较清楚，我们简单地过一下。大家了解，目前交通的模式，重要是依赖于传统的汽车，应该说无论是从能源和环保这两个方面都不具有可持续性，这里面我想说有关能源的问题，我们国家的石油依存度逐年新增，特别是石油车的保有量新增，关于石油的需求会越来越大，而且我们石油进口对外的依存度达到了60%。

那么关于这种能源的情况，环境污染也对我们国家造成了极大的挑战，我们大家了解关于二氧化碳的排放，在杭州G20峰会上递交了我们的承诺，低碳化一定是未来的发展趋势，关于汽车而言，还有二氧化碳的排放，消耗能源是很重要的一个原因。

基于这样的情况，未来汽车的发展，我们认为是能源的多样化。关于能源多样化而言，电动汽车或者说汽车的电气化一定是今后的未来发展趋势。这里面我想说，可以从两个方面来讲，第一个方面我们说驱动的电动化，我们了解采用了驱动电动化以后，自动回馈，使驱动效率得到了很大的提高。右边的表格当中典型城市行驶工况牵引与制动能量消耗，采用驱动电动化才可以把制动的能量进行回收，提高效率。

那么第二个方面就是能源的多元化，大家了解，由于我们国家对外石油资源的依存度越来越高，所以国家的能源安全就越来越重要，保证我们国家的能源安全，最有效的方法就是能源的多元化。那么关于能源多元化来说，对汽车工业一定要找到一个中间的载体，中间的能源，这样关于汽车工业的发展就会至关重要，目前比较理想的中间的载体一个就是电，第二个就是氢气，所以目前的纯电动汽车和燃料动力电池汽车成为国内外争相发展的重点。

今天的重要是动力锂电池和电动汽车，我这里做了一个比较，这个观点应该说得到了比较大多数的专家的认可，就是说未来的新能源汽车重要是纯电动汽车和燃料动力电池汽车两种。一般来说在里程比较短的情况下，采用纯电动汽车比较多，而在行驶里程比较长采用燃料汽车比较多，这个表格也给出了各种重要的新能源汽车二氧化碳排放的情况。从这个表格当中我们可以看出，无论是纯电动汽车，还是燃料动力电池汽车都会极大降低二氧化碳的排放，这是第一个方面，由于前面两位嘉宾都做了详细的介绍，我就简单概括。

第二个方面我们介绍一下燃料动力电池汽车，做一下燃料动力电池汽车的简介，今天在座有很多的公司家，我介绍一下燃料动力电池汽车的有关方面，希望引起各位公司家、各位领导的重视，加大燃料动力电池汽车方面的投入。燃料动力电池汽车最基本的或者是核心的部分，我们叫它燃料动力电池系统，在国内我们也称之为燃料动力电池发动机，它和动力锂电池的最大不同就是利用了氢氧反应出现电，这个方面来说类似于我们传统的发动机，不是一个电池，是一个发电的装置。燃料动力电池汽车比较有代表性的事例，丰田的Mirai在2014年十二月十五日在日本上市，无论是价格和性能都在国内外引起了强烈的反响。这是一个比较典型的例子。

紧接着在2015年的三月份，本田公布了他的FCVClarity汽车，这个基本和丰田的类似，各种指标某一些方面甚至超过了丰田的指标，其实本田的汽车应该说是最早实现，大概在2007年丰田的第一代汽车以租赁的方式供用户进行驾驶。第三个就是现代ix35，韩国现代起步比较晚，应该说跟我们国家基本上类似，大概大量的投入也是在2000年左右，但是现在的汽车发展的比我们国家快很多，应该说现代汽车应该比丰田公布还要早，丰田是2014年的十二月份，现代是2014年的四月份已经正式开始销售。

我们做的工作，重要是在同济大学期间完成的，2000年开始研究燃料汽车，最早做的超越一号，超越二号，超越三号，后来跟有关的汽车厂研究了一些轿车，2008年的奥运会，总共给上海大众生产了24辆的轿车，在这以后又在美国的加州进行了长达半年的试行。第二个事件是上海的世博会，我们跟有关的整车厂，一汽、上汽、奇瑞等等，推出了90辆的燃料动力电池汽车，推出了100辆的燃料动力电池场馆车，所以总共是193辆的燃料动力电池汽车在上海世博会上进行了长达半年的运行。这是燃料动力电池整个汽车的情况。

今天我重点介绍一下燃料动力电池系统，特别是燃料动力电池系统当中的关键的部件和系统当中的一个关键技术。刚刚赵总也提到，我们国家燃料动力电池技术在关键部件、关键材料和国外的差距还是比较大的。这有一个示意图，最重要的部件就是燃料的电堆，为了使它正常的工作，就要源源不断地供应空气，供应氢气，所以我们要一个氢气的供应体，所以我们就要一个空气的供应体，另外我们说燃料动力电池在工作的时候氢氧反应生成水，这个水一方面有可能堵塞，另外一方面又起到湿润燃料动力电池电堆当中的电解质，也就是膜的用途。所以对电堆而言，既是必不可少的又有一定的危害，所以说燃料动力电池的水热管理系统，对电堆的冷却，第二方面对出现水的回收和对氢气对空气的加湿，这个是燃料动力电池系统重要的一个原理。

这个表格是显示的美国GOE统计的，目前燃料动力电池的系统重要的技术指标和2020年的发展目标，从这个表格当中我们可以得到这么一个结论，目前在国际上，包括日本、美国、德国，燃料动力电池的技术已经成熟，下一个阶段，燃料动力电池的技术重要是集中在降低成本产业化的阶段，这个表格当中也可以看出来，燃料动力电池汽车跟传统的汽车有突出的优点，效率比较高，这里面目前的最高的效率已经达到了60%，而2020年将会达到65%，我们大家了解关于传统的发动机像丰田普锐斯公布的，效率达到的60%，这个在汽油车当中已经是最高了。所以说燃料动力电池显著的优点可以看出来，这个是有关简介。

第三部分我介绍一下燃料系统当中的一些关键的部件，这里面特别是希望能够供有关的公司家们进行参考。我们认为燃料动力电池系统的关键部件，重要是有4个，第一个是电堆，我们说燃料动力电池系统、燃料动力电池发动机是燃料电动汽车的心脏，而电堆又是燃料动力电池系统的关键的一点，电堆我们说就是把空气系统、氢气系统输入的氢气和空气进行化学反应出现电，这个是我们国内外的一个重要的电堆，其中比较有名的就是丰田和本田他们最近公布的电堆，他这个电堆体积比功率已经达到了每升3.1千瓦，我们国内做的产品级的大概每升在1.2千瓦左右，实验室上做到每升2千瓦左右，所以能够看出我们跟国外的差距还是比较大的。另外在这样的一个关键部件当中，又涉及到很多的关键材料，这里面重要是催化剂、膜、碳石、GDL（音），这几个在我们国家基本来说是空白的，或者是有一些个别的公司研发，产品的可靠性耐久性和国外的差距比较大，基本上在应用当中用的比较少，关键材料绝大部分是国外的产品，这也导致了我们国家燃料动力电池的成本要比国外高很多。

这个表格是给出了目前电堆在2013年达到了一个具体的状态，美国DOE在2020年要达到的一个技术目标。

第二个部件是氢气循环系统，或者说是氢气循环泵。我们大家了解，燃料动力电池用的燃料是氢气，那么氢气的电堆为了提高它的化学反应速度，我们希望新增氢气在电堆当中的浓度，新增它的压力，所以说我们就希望能够在电堆当中的氢气循环起来，这里面会带来很多的好处，这个好处一是可以提高功率密度，二是可以减轻补水，所以氢气供应系统、氢气循环泵是很关键的部件。目前对氢气循环大概是有这么几种情况，第一是不循环，这个是在我们国家十一五、十二五绝大部分的样机采用，第二个是引射器，第三种氢气循环泵，这个是重要的特点，今后应该说重要以氢气循环泵为主，在个别的情况下对引射器和氢气循环泵相结合。

第三个关键的部件是加湿器。刚刚已经提到了电堆当中的电解质是一个质子交换膜，在工作的时候这个膜要保持湿润状态，一方面是供氢的质子传递用途，另外一方面可以降低内阻，保持电堆内部的水动态平衡，提高电堆性能和耐久性，这个部分就是加湿器。加湿器的发展经历了很多的过程。在以前有用寒冷法，有用喷水加湿，现在是利用排气对进气进行加湿，目前在国内这一块基本是空白，重要是美国的公司、韩国的公司供应的产品当中有。这个是我们说给加湿器的具体要求。

下面一个关键的部件是空气压缩机，或者说是我们叫它燃料动力电池的专用压缩机，它的用途很简单，就是为电堆供应一定温度、一定压力、一定流量的空气。我们国内目前的压缩机这个行业应该说是比较齐全的，为何在燃料动力电池当中不能应用呢？燃料动力电池有一个特殊的要求，就是要无油，也就是说空气当中的油不允许存在，这样的话目前的传统压缩机不能用在燃料动力电池系统当中，所以说我们就要开发燃料动力电池专用的无油压缩机。那么这个图是目前我们做的，所谓的无油润滑的高速压缩机，为了车用我们说燃料动力电池的压缩机一定要体积小、重量轻，所以为了满足这样的要求，我们采用离心式的压缩机，轴承采用空气轴承，而电机采用高短速，短速达到10万转，国内上基本是10万-15万转之间，这个燃料动力电池专用压缩机在国内仅仅有个别的厂家在研发，实际上跟国外的差距还是比较大的。

这张图是给出了目前主流燃料当中汽车当中采用的压缩机的重要的形式，从这里面可以看到，除了丰田他用的是罗茨式的其他都是离心式，当然现在也有鼓风机是采用的低压式的，丰田为何采用罗茨式的压缩机呢？大家了解丰田原来是丰田纺织，这个里面他的罗茨压缩机在纺织上有大量的应用，所以丰田积累了大量的技术，他把这个技术移植到这个当中。但是采用这样的压缩机也带来一定的问题，这个问题就是有油润滑，尽管密封做的很好，但是有少量的油有可能漏到里面去，特别是随着使用的时间越长，漏油情况越严重，所以说丰田也正在跟有关的零部件供应商在合作开发，所以基于这个方面，我们认为还是利用离心式空气轴承式的高速压缩机是比较适合。这个是对空气压缩机的技术要求。

燃料动力电池刚刚提到4个技术，第一个是水热管理技术，燃料动力电池当中电解质质子交换膜在工作的时候要保持湿润的状态，否则这个氢离子的传递会很难传递，另外一方面电内阻会增大，另外一方面氢氧反应在生成水，假如管理不当的情况下会把这个流道堵住，所以阻止氧气和氢离子的进入，所以功率会下降。水热管理的目标就是保证这个膜湿润，从此就防止了在阴极和阳极堵水的可能。丰田在公布Mirai最近的这个车当中，应该说它的核心的关键技术就是在它的水管理当中做的工作，这个工作应该公布以后引起了各大车厂的轰动，他把水管理做到极致，具体来讲他把加湿器取消掉了，原来空气系统进行加湿，他把这个取消，丰田的这个目的是为了降低成本，没有这个加湿器了，他的成本会大大下降，他是怎么做到的呢？应该说采用了几个关键的技术，一个关键技术是他把这个膜做的很好，原来的是在20个微米以上，而丰田的这个膜采用了10个微米，那么这个膜变薄了以后就有利于阴极向阳极的水传递，和阳极向阴极的水传递，这个是第一个措施。第二个措施是空气和氢气采用逆流的方式，流动正好是相反，第三个措施就是把这个热管理控制在空气入口这边，温度比较低，出口的温度比较高，这样在温度比较低的时候，由于空气不加湿，温度比较低，随着蒸发量的下降，膜就不容易变干，这是第三个。第四个关键技术是氢气采用很大的循环量进行循环，做了这样的技术就实现了所谓的自增湿的技术，怎么实现的呢？我可以简单说一下。

先看空气这一侧，开始的时候他没有水，但是随着反应进行在空气出口的时候会出现大量的水，这个时候因为这边的浓度比较高，就会从空气侧向氢气侧传递，这个时候我们说氢气在流动的过程当中把水分从入口带到出口，由于空气这一侧浓度比较低，所以说又从阳极向阴极传递，就实现了所谓的自增湿的情况，这个是丰田在这一轮当中的过程，另外一方面系统大大的简化，成本降低，所以说号称这个车卖700万日元。另外一个降低成本的技术是原来的氢瓶是碳纤维，后来跟厂家合作，把碳纤维的要求降低，成本下降，氢瓶当中碳纤维不要要求那么高，这个是丰田降低成本两个关键的技术。

第二个是低温冷起动，关于新能源汽车，即使是纯电动汽车，低温起动仍然是有挑战性，动力锂电池在低温下的性能应该是比常温下要差很多，燃料动力电池也面对着同样的挑战，他的挑战是什么呢？我们说关于燃料动力电池汽车来说反应的快，零下的时候水会结冰，假如结冰的量比较多的话，我们说这个电解质的这层膜很薄，10个微米，冰碴子会出现一些问题。所以说低温起动在燃料动力电池当中有一个核心的关键技术，那么目前应该说丰田的Mirai、本田等等都实现了在零下30度的起动，我们国内的上汽通用做到了零下25度。这个是怎么做到的呢？重要是从这三个方面考虑，第一个方面是说在停机的时候要想办法把它出现的水分从阳极和阴极排除掉，这样减少了结冰的数量。第二个措施就是保温，这样的话减缓温度降低的速率，第三个是起动的时候加热，它这个加热应该说不是依赖于动力锂电池的加热，而是利用燃料动力电池本身的一个自加热，也就是说这个图可能是比较专业，这个是工作图，1.4-1.0的区间是出现热，绝大部分的氢气是变成了电，在低温启动的一瞬间，通过控制的措施，在工作的这个点，这个时候是大量的出现热，而这个小量的出现电，出现这个电只要维持压缩机和燃料动力电池系统自身工作要的电就可以了，而大量的这个热把电堆快速地从零下20度，零下30度加热到零上就可以顺利起动，所以这样的技术应该说在国外的重要的厂家都已经实现了在零下30度甚至可以做的更低，这一点应该说比动力锂电池在低温起动上面解决的更好。去年我们到日本丰田进行交流的时候，我们也问他，为何在燃料动力电池汽车当中不采用锂离子电池而是镍锌电池？他们说锂离子电池在低温启动上没有得到解决，而镍锌电池已经得到了解决。

第三个关键技术我们叫它系统的控制技术，燃料动力电池大家了解，它的耐久性是很关键的问题，目前在国际的先进水平上，在轿车上可以运行20万公里，或者说5000小时，功率衰减不超过10%，那么在客车上，可以做到1万个小时，这个耐久性是怎么做的呢？一方面在关键的材料，关键的部件，很大的一部分在控制，经过大量的研究，影响燃料动力电池寿命的关键因素有这么几个，动态工况，起动，持续怠速，低温储存和起动，经过这几个影响耐久性的关键的因素，如何来对咱们的系统进行控制是比较关键的问题。

这个图是我们中心基于耐久性、经济性、动力性考虑的一个控制策略图，从起动过程，运行过程、故障改善做的。另外现在空气控制系统都是中压或者是高压系统，我们要把空气的供应和压力分别进行控制，进行压力和流量的节流。另外就是这边是氢气供应系统，这边是空气供应系统，刚刚已经提到了电解质的膜很薄，丰田就10个微米，如何来保证这个空气和氢气它们之间的压差？这个压差假如大的话，会把这个膜去掉，我们目前要限制空气这一侧和氢气这一侧的压差不超过0.5，这个我们就可以通过一个控制的方法来使得这个氢气系统和空气系统随动，这个是比较关键的。

燃料动力电池汽车的发展趋势

最后简单提一提今后燃料动力电池的发展方向。我们认为未来重要的做的工作是寿命、成本、可靠性这几个方面要做大量的工作。这个是我们国家在十三五燃料动力电池的支持，燃料动力电池去年已经支持了一个比较大的项目，一个是有关电堆，一个是有关材料，还有一个今年要起动的关于燃料动力电池系统方面的支持，现在本来已经公布，预计在今年的十一月份，十二月份马上就可以起动。