图为同济大学新能源汽车工程中心教授许思传作主题演讲

　　11月16—17日，“2017’第二届动力电池应用国际峰会暨第三届中国电池行业智能制造研讨会”在北京举办。本届峰会由中国化学与物理电源行业协会和电池中国网共同主办，天津力神电池股份有限公司联合主办；中国化学与物理电源行业协会动力电池应用分会承办，无锡先导智能装备股份有限公司联合承办。参加此次峰会人数超600人。

　　17日上午，在以“现状与未来：纵论车用燃料电池”为主题的燃料电池汽车市场分论坛上，同济大学新能源汽车工程中心许思传教授介绍了车用燃料电池系统中关键技术的研究进展。以下为演讲实录：

　　大家上午好！今天主要给大家介绍一下同济大学新能源汽车工程中心，在燃料电池系统关键部件以及系统集成中的几个比较关键技术点，跟各位分享一下我们做的一些工作。

　　国际上，能源安全和环境污染两个方面引起了越来越多的重视。个人认为，燃料电池是解决能源安全和环境污染当中最有效的一种途径。我们国家燃料电池获得了整个投资界的极大关注。     

　　我刚进入这个领域时，我们工程中心的前主任万钢部长曾对我说，我们希望能够把燃料电池系统做成燃料电池发动机，像一个传统的发动机一样装在车的前舱中上就可以运行。那时是2003年，十几年以后，这个已经变成现实。右下角图，是通用的一个燃料电池系统，把驱动电机集成在一起，真正是燃料进去、氧化剂进去，输出机械功，这个机械功由电机完成，所以真是变成一个燃料电池发动机。这个燃料电池发动机，最核心的部件是电堆，相当于传统发动机的汽缸，完成了把氢气的化学能转化为电能这样一个过程。要使该过程高效进行，必须有燃料供给系统、空气供给系统、水热管理系统和控制系统，这些都跟传统发动机极其类似。我主要介绍这五个系统中我个人认为比较关键的几个点。

　　其中，空气供应系统，最主要是它的压缩机。空气要靠压缩机提供动力，使它按照我们的要求进入电堆中去。压缩机有很多类型，根据比较和分析，我们认为，燃料电池最适合使用的是离心式压缩机。考虑到车用以及燃料电池的特点，离心式压缩机最大的挑战有两点：第一点要无油润滑，第二点要高速。因为车用压缩机的体积要求很严格，高速我们认为最好能够在10万转以上。但考虑到电机轴承现状，目前国际上基本有两大类：一类是单级增压，它的转速很高，比如说达到10万转、15万转；第二种类型可以采用双级增压，这个时候电机的转速相对可以做到比较低，比如可以做到7万转、8万转这样的量级。另外还有一个方向，对压缩机而言，采用单机增压，是不是带膨胀机？所谓的膨胀机，即可以利用燃料电池的排气回收一部分能量，帮助电机驱动压缩机。我们认为，这种情况从技术先进性来讲很有必要。

　　举个例子，一个80千瓦的燃料电池发动机，如果不加膨胀机，压缩机需要功率大约20千瓦左右，加上一个膨胀机可以回收6~7千瓦，整个燃料电池系统的效率会有很大提高。所以我们认为，空气供应系统中，关键部件最终的解决方案是离心压缩机带膨胀机，转速在10万转到15万转之间这样的解决方案。

　　对压缩机，目前我们国内在这方面做的工作相对比较欠缺，缺少正向开发。所以，我们认为，必须关注关键部件的开发。这里面，根据燃料电池特殊的需要，开发相应的叶轮、涡壳、扩压器、电机及控制器，这极为重要。

　　这个图给出了传统的增压器工作范围。目前，国内很多压缩机生产厂商，在很大程度上借鉴传统的汽车增压器设计。左边图，这个区间是传统的增压器工作区间，要提高燃料电池效率，化学计量比的范围很大，整个系统的效率会极大下降。燃料电池专用压缩机的涡轮，如何把它的喘振线向左移，这是叶轮、涡壳、扩压器设计当中的一个关键点。

　　第二个关键部件氢气循环系统。国家十五、十一五做的燃料电池系统大多数采用低压系统，它的氢气是不循环的。我们知道这种情况，它的氢气利用率会比较低，而且很容易产生堵塞，目前，国内、国际正在研发的燃料电池系统，毫无例外采用氢气循环。氢气循环有两种方式：第一种是引射的方式，像本田采用的方式一样，还有一种方式是氢气循环泵的方式，像丰田采用的方式。我们认为这两种方式都可以很好地解决工程问题，相对而言采用引射的方式，整个结构很简单，成本很低；而采用氢气循环泵的方式，可根据需求调节氢气的循环量，调节的自由度很大。当然国外也有两种结合在一起的方案，利用氢气循环泵、引射并联运行，根据需要来决定控制采用哪种方式。这是我们利用引射器原理设计的氢气循环器，经过我们的实践，引射器可以在很大的范围内来满足燃料电池系统循环的需要。

　　下面我想介绍一下关于系统集中的几个关键技术点。第一个问题是低温启动。在低温启动中，燃料电池系统要解决低温启动的问题，我们认为需要做两件事情，第一个是停机的吹扫；一个是启动的加热。停机的吹扫，我们建立了各种仿真模型，研究不同的工况情况下吹扫过程对膜的影响。吹扫解决什么问题？主要是把电堆停机时产生的水吹掉，使储存过程不结冰或少结冰。那么，到底用什么介质吹扫、吹扫多长时间？如果吹扫的时间很短，电堆当中水的量仍然很多，在低温情况下仍然会结冰，甚至会刺穿质子交换膜。这个度就是吹扫中的一个关键点。可以通过实验的方法研究不同的吹扫方法膜当中含水量的规律，这是停机吹扫的过程。

　　启动的过程，要加热，我们大家马上想到外部加热，可以利用本身进行加热，大家知道电池本身低温启动性很差，所以利用这种方法，一个方面我们说，它的可行性不高，另外一个方面，我们大家知道利用外部加热的时间极长，因为要利用外部加热要使得催化层的冰融化，这个过程是极其缓慢的。所以我们可以利用仿真的方法，来研究采用什么方法解决低温启动的问题。

　　我们认为解决低温启动丰田方法是比较好的方法，所谓利用自加热的方式，就是说在低温环境下，拉功率，在催化层当中产生热，这个时候的核心关键点是电堆工作的电压很低，就是说产生的电功率极少，绝大部分氢气的化学能都变成热能，用于对催化层、对电堆进行加热，比如说丰田做到0.08V，这样会带来两个挑战，第一个，对电堆一致性的挑战，第二个，对DC/DC的控制带来极大的挑战。目前我们国内生产电堆，大家知道它的一致性相对来说还都是比较差的，如果采用这种办法，对电堆的损害会比较大。所以采用一种过渡的方法，即可以采用自加热和外部加热相结合的方法，就是说我把燃料电池的工作电压拉的比较高，比如说0.2、0.3V，我们利用产生的电通过外部加热对系统进行加热，两种方式结合在一起，实现零下20度的低温启动应该是没问题的，当然对实现零下30度的低温启动，又要对电堆的寿命影响较少的话，实际上要对电池的一致性提出更高的要求。

　　下面一个关键问题是空气供应系统的控制问题。我们在十五、十一五，包括北京奥运会、上海世博会，燃料电池用的系统是低压系统，低压系统对空气供应系统的控制相对来说比较简单，因为它的压力低。现在，为了提高整个系统的功率密度，毫无例外地采用这种所谓的中高压系统。特别是中压系统，在世界上广泛应用，解决压力和流量控制的解耦问题，如何在控制当中实现两者解耦，就可以独立控制其流量和压力。这是一个关键点。

　　第二个关键点，环境适应性。高原环境，现在我们厂商绝大部分情况下还没考虑到现在燃料电池系统将来到西藏、到高原上，它的性能会如何。同济大学环境实验室做过模拟，当大气压力下降时，它的性能会下降很多，因此在系统设计和控制的时候，就要考虑到这方面。这方面两个措施：第一，在设计压缩机的时候，就要考虑高原环境下的压力、流量如何设计；第二，控制算法当中就要考虑到，高原环境下如何调整压缩机的工作点、工作工况。

　　为了实现空气流量和压力的解耦控制，背压阀的控制。解耦控制利用空气动力系统当中的背压阀和压缩机的转速，控制两者之间，实现联合控制，可以实现它的流量、压力的解耦控制。

　　氢气功能系统当中，除了刚才我们说的一个引射装置当中，压力如何控制？流量如何控制？我们的解决方案是采用电控喷氢的方法，利用这种方法控制进入到燃料电池系统当中氢气的流量和压力，同时和空气系统当中的压力联动，保证两者之间的压差不超过0.5。这个是我们利用电控喷氢实现对氢气的压力和空气压力控制的结果，实际控制结果还比较好。

　　系统集成当中另外一个问题，就是水热管理问题，大家知道，在传统的发动机中、传统汽车当中，我们最早叫冷却系统，后来叫热管理系统，到了燃料电池时代我们叫做水热管理系统，为什么？燃料电池系统中的水管理至关重要，我们要保证质子交换膜中，有足够的水分，同时阴极和阳极又不能产生堵水。第二个问题，和传统发动机比起来，燃料电池的效率尽管提高，但是通过冷却系统散走的热量要远远高于传统的发动机，所以对一个全功率的燃料电池系统，它的冷却系统、热管理系统如何设计，更是至关重要的点。而且水管理和热管理，这两者之间又是相互耦合的。我们要求的水管理是指控制进到电堆中空气和氢气的相对湿度。相对湿度跟温度紧密相关。举个例子，如果在冬天环境下，如果说下雨天，其相对湿度假设在95%的话，他的温度这时候只有5度或者说10度，我经过压缩机压缩以后，他的温度变成70度、80度，这个时候他的相对湿度就会从95%变到5%，甚至比5%还要低，这是及其干燥的情况，如果进到电堆去，会把膜当中的水分吸干，如何来解决它？当然通过加湿器，这种解决方案是比较简单的。但是我们大家知道，丰田采用自增湿以后，进到电堆当中几乎接近于干空气，这个时候燃料电池当中的水管理和热管理如何来紧密耦合，就是他的一个关键的技术点。

　　要实现这样一个点，我们如何来解决它的膜当中含水量的估计，这又是一个很关键的手段，就是说我要控制的时候，要知道膜当中到底含有多少水分，这个含水分的多少会决定我如何来控制它，所以我们也开发了一个膜当中含水量估计的方法，简单讲，通过DC/DC，加上一个微小的交流电信号，通过这样一个交流电信号来估计膜当中的含水量，这个我们说不仅仅可以用于燃料电池水管理的研究，也可以用于低温启动。我前边讲过低温启动的吹扫，吹扫多长时间膜当中的含水量能够达到我们要求的不高也不低这样一个状态，这样一个手段就为我们控制提供了一个很好的保障。

　　我们有了膜中含水量的估计手段以后，就可以来判断电堆工作中膜的含水是处于正常状态、吹干状态、还是加湿状态。根据它处的不同状态，我们来调节空气的压力、空气的流量、冷却液的温度。这个道理比较简单，如果说空气的压力降低的话，这时候它吸水的能力会增加，它的流量增大的话，它的吸水能力也会增加，它的温度降低的话，相对湿度会增加。所以，通过控制冷却液的温度，控制空气的流量，控制空气的压力，我们可以再根据膜中含水量估计的值来调整膜中的含水量。我们认为这是解决热管理中最最终极的解决方案，而且是解决燃料电池寿命问题的有效措施之一。

　　燃料电池系统、系统集成中还有很多的点，比如说启动、怠速、加速、减速，在这些过程中如何解决供气不足、高电位等问题，是燃料电池系统集成控制中很关键的问题，只有把这些问题全部都解决了以后，整个燃料电池系统的耐久性、经济性和动力性会得到很好的提高。我们认为，燃料电池公交车要达到5万小时，仅仅靠一个孤立的点是很难完成的。

　　我今天介绍这么多。谢谢大家！