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靳殷实:车用燃料电池堆关键技术

发布日期:2017-05-15   来源:资讯报道   作者:星耀   浏览次数:42

刚才衣老师说了,日本的丰田轿车,2014年底-2015年初,批量推向市场以后,给全球燃料电池热掀起了更热的浪潮,国内也是这个情况。现在以丰田、现代、本田这几个车企做的燃料电池的汽车,它的性能基本上已经和燃油车的性能相一致,比如说在车速上面,在加速性能,在加气的时间上,性能基本上一致,所以燃料电池的优势显现出来,而且国外的燃料电池还在不断高速发展。
靳殷实
国外的燃料电池,我们认为大致分为两个阵营,一个是以整车厂,像丰田、现代、本田这些整车厂,他们早几十年就瞄准了燃料电池,所以这些车厂,十几年前就开始进行燃料电池的核心技术的研发,掌握了核心的技术。奔驰的插电式的燃料电池车,续航里程可以将近1千公里。丰田和日野合作,用它的发动机,两台发动机装在一台大巴上。这是现代的。

另外一个阵营,以前主营做燃料电池的一大批企业,像巴拉德,这些企业以燃料电池为主业,主要生产燃料电池,不生产车辆,这些企业的模式就是同车企进行合作,把它的燃料电池用在汽车制造上,这是雷诺做的物流车。 这两个阵营的技术状态不一样,以丰田为代表的企业,应该是走在燃料电池的前列,而且遥遥领先,丰田的发动机,114千瓦的燃料电池发动机,体积只有37升,巴拉德的是100千瓦,净输出85千瓦的燃料电池动力系统,但是体积是100多升,两者差别是很大的。我估计相差好几年。

我们国家燃料电池也在十多年以前已经开始了研发,在奥运会期间、世博会期间做了大量的示范运行。以上汽为代表的车企,一直在自主研发,用自己的燃料电池堆在进行研发,上汽750、950一系列的车,前年在北方和南方进行示范运行。国内还有一大批企业做燃料电池堆的企业,也通过不懈的努力,也做出了一些成就。这个是10千瓦的燃料电池动力系统,3套系统装在大巴上。30千瓦的,这个是国内的企业,装在物流车上,这样子的企业还有很多。

在国内也形成了两大类型的状态,前面这些是自主研发的,自己的堆来做成系统进行开发燃料电池汽车,还有另外一部分,虽然也在自主研发,但是为了取得更快的发展,引进了国外的一些比较好的动力系统,现在主要是加拿大的巴拉德的燃料电池动力系统。宇通也做了很多的工作。

在国际上,燃料电池成功的案例,就是刚才说的丰田的未来,它已经有几千台在运行着,国内的大巴车方面,福田的车已经批量生产60台,已经交付了,在北京地区进行团体运营,据说今年的定单能到500台,福田这个车等于在国际上是最大的大巴产量了。

通过这些年的努力,电动汽车和国外的差距很小,但是燃料电池还是有差距的,有些观点认为是全面落后,但是我认为还是有一定的距离的,主要表现在可靠性、耐久性、成本上,这些因素制约着燃料电池汽车的产业的发展。刚才衣老师也说了,在燃料电池的产业链上,空压机这些关键的部件,我们还没有很好解决,虽然国内已经有很多企业投资做这个事情,但是现在还没有彻底解决这个问题,国内的燃料电池的功率密度现在还远远低于国外的,尤其是丰田的。大部分国内的燃料电池的功率都在30千瓦、40千瓦的阶段,所以要用在轿车上还是有一定的难度。

燃料电池的关键技术,燃料电池可以使用在各种车辆上,但是使用的最好范围是续驶里程长的,和车的总重量大的场合,是更适合燃料电池,因为燃料电池有两部分组成,就是本身发电系统和供氢系统,燃料是供氢决定的,所以在小体积小重量和距离近的场合,肯定是电动汽车占优势,比如电动自行车,国家想控制都控制不住,因为它在技术领域是有优势的。

要发展我国的汽车产业,力争在十年之内买入燃料电池汽车的强国,提出了关键技术,耐久性和成本提出了要求,性能、寿命、成本这些关键指标上要达到商业要求,能够满足燃料电池汽车的发展,在发动机方面,要在功率密度、耐久性和能耗方面解决,这也正好说明了我们现在的差距,对燃料电池汽车的产业链还提出了要求,正是因为我们现在燃料电池汽车在性能上,耐久性上,成本上有差距,所以中国制造2025年提出了要达到一千小时,耐久性到10万公里,专门提出了这些要求。

车用燃料电池汽车堆,和一般的燃料电池汽车不同之处,就在于它是载荷容易频繁变化的,启动快,处于震动环境,低温环境,这样的状态下,使它的寿命要有长的寿命,长的耐久性,比较一个重要的指标,就是它的功率密度一定要大,功率密度太小了,装在车上是装不下的。

燃料电池堆的核心技术,我们认为燃料电池堆有三个方面的核心技术,要把它做好这三个方面需要掌握:第一,燃料电池的发电规律,燃料电池的发电,性能、效率和温度、湿度、流量、压力相关,这些量的变化都会影响到燃料电池的发电的变化,所以要很好地去研究这个,要掌握这些最佳的参数来提高发电效率、发电性能。 有害气体、负载的变化,对燃料电池都会带来影响,要很清楚掌握它。掌握燃料电池的发电规律。

发电规律要保证燃料电池按照这个要求去发电,就要给它设定稳定发电的流场设计,燃料电池的电堆设计和双极板设计。

第三,保证燃料电池高效稳定发电,实现燃料电池堆,或者解决燃料电池的制造过程。这三个方面来保证燃料电池堆,可以把它做好,是必须掌握的三个方面的内容,这三个方面实际上是互相影响,互相牵引。要把流场设计好,前提就是把燃料电池的发电规律掌握好,先进的制造过程能引领燃料电池的设计,比如说有先进的制造技术,可以使燃料电池的双极板、流道实现高效高密度的时间,也是对燃料电池的牵引。

燃料电池堆的一些技术,包括高效膜电极、技术双极板、流道设计、热管理技术、水管理技术,密封设计、组装工艺等等。大家都在燃料电池领域,人才奇缺,关键就是燃料电池的技术牵扯的面比较广,刚才的三个方面的技术都掌握,确实是比较少,这是一方面。

第二,现在还没有现成的设计方法,燃料电池都是在部分有经验人的脑子里头,没有现成的设计方法,像燃油发动机这些都有现成的课程,有现成的数据,但是燃料电池没有,所以建议衣老师能够编一本燃料电池堆的设计原理。

第三,没有成熟的制造工艺,现在各家都是自己在摸索,几个企业摸索出来一点制造工艺技术,大部分重新投入进来的,基本上是没有这个技术。

第四,国内的零部件配套不成熟。

燃料电池进行设计要从这几个方面考虑:

1.燃料电池堆的系统设计,总体设计,要考虑输出电压、输出功率、反应堆面积,冷却系统等等。

2.膜电极的选型设计、密封材料等等。

3.燃料、流场的走向设计,流道的结构设计。

4.电堆的集成设计、绝缘问题、双极板设计。

5.集成制造,把它做出来,要双极板的表面处理,模具设计加工,冲压加工,焊接等。

质子交换膜电极是燃料电池非常关键的因素,要考虑到质子的传导率,所以一定质子的传导率一定要高,表现在化学稳定性和机械稳定性,实现大量生产要做好膜电极的批量制备技术。

流道设计方面,流道介质设计,流向的种类有很多,同种介质,氢气自己的顺流还是逆流,通过计算,得出的结果不一样,流道的走向设计非常重要,流道越短越好,不同的情况有不同的结果,这里分出三种,蛇形、平行,通过仿真计算,通过最后的实验,平行的比较好。总体的平行结果比较好,从温度、压力分布来说,总体平行的效果比较好。另外还要考虑,在金属板设计的时候,就要考虑最后能不能制成,通过仿真计算得出最后的工艺性。

燃料电池发电性能,压力越大,它的燃料的密度越大,发电的功率就越大,所以发展方向就是压力往大的走,但是压力往大是有困难,不能无限制的大,就要和流道结合起来,所以流道的截面设计很重要,另外还有过桥设计,还有密封设计的问题。

双极板设计,双极板在燃料电池里面是非常关键的一个部件,它的一些要求就不说了,目前双极板主要有石墨板和金属板。石墨板,性能稳定是它的优点,但是它有气孔,容易漏气,不能做得特别薄,总要有一定的厚度。金属板,机械强度高,所以可以做的很薄,所以它功率密度可以大幅提高。现有的巴拉德也有金属板,在大巴上还是石墨板,所以功率密度相差很大,车用燃料电池方面,双极板发展方向就是金属双极板,这也是一个重要的方向,但是金属双极板,是一个全新的技术,它带来了一系列我们以前工业生产没有遇到过的问题,所以有一定的难度,这也就是给我们带来在燃料电池金属双极板堆的问题。

金属双极板的特点,这张图片,巴拉德100千瓦的燃料电池,净输出85千瓦,但是体积非常大,就是因为用的是石墨板,丰田用的是金属版,所以两个区别在这儿。这是一些参数的对比。

金属板双极板流道设计,金属双极板,机械强度比较好,所以就为我们设计流道带来了便利,可以使流道,高密度流道,就是流道的宽度可以变得很窄,我们把宽度降到了1毫米,活性面积大幅度降低,但是它的发电性能却没有降低,就充分说明了金属双极板可以实现高密度流道的方向是正确的,是可行的。金属双极板的设计流程,实际上不是那么容易,因为它是高密度流道,和我们以往的冲压技术是完全不同的,尤其是在流道设计到0.3、0.4毫米的宽度和深度的情况下,它的一些弯角、冲压角度等等。以往的就很难实现,所以要设计就要采取几个循环的设计,设计出来以后,然后去加工,加工出现问题再反馈到设计阶段,进行反复优化,通过几轮才能把这个问题做好。

金属双极板有很多的优点,但是它也有很大的问题,就是它的表面的接触电阻比较大,因为它的反应一股,表面出现钝化,接触电阻增大,耐腐蚀性不如石墨板,所以这两点限制了它的应用,处理的办法就是给金属双极板表面处理,这个是表面处理以后两者之间的接触电阻有一个数量级的变化,这边的腐蚀电流有两个数量级的变化,这个是在给金属双极板表面处理的过程中不同的材料,会得出不同的结果。

如何做到表面处理,这个工艺是常规的工艺,这个工艺就是PVD,在一个真空的环境下,要把镀的材料通过离子烘机,让它建设,在磁场和电场的建设下,覆盖在工件上,这不是一般的覆盖,实际上是材料元子之间的结合,所以这个结合是非常之密的,这个工艺是常规的工艺,但是这里面的关键问题,是它的工艺,就是它到底要覆盖几层,这个配方,覆盖的是什么材料,这是最核心的问题。

金属双极板的焊接问题,因为金属双极板很薄,0.1毫米,需要焊接的区域很小,焊点只有1毫米左右,它的走向还很复杂,这样的情况下,一般的焊机是完成不了的,只能采用激光焊接完成,这里面的技术难点,就是焊接工艺的设计,激光焊接也是常规的焊接工艺,也不贵,焊接的技术也不复杂,但是这里面的核心是焊接工艺和焊接工装,因为金属双极板很薄,焊不好会变形,现在焊好了也会变形,就是要控制这种变形。

金属双极板的密封技术,和石墨板相比,因为石墨板有一定的厚度和钢度,所以本身板不会变形,在使用过程中,整体不太变形,但是技术双极板因为特别薄,实际上做出来以后就像纸张一样,它总会有翘起来,在受到力的情况下,因为发电是要70度的温度,平时又会冷却下来,反复的作用力,容易使它有微量的变形,密封材料如果选不好,本来密封是要靠弹性去密封的,失去了弹性,所以循环以后就会用泄露,所以金属双极板的密封难度就更大。

这是前几年国外的一个技术指标,目前我们基本上都可以达到,有的差一些,现在我们最难解决的就是成本问题,我们制造成本,和国外相比相差太远,因为批量上不去,本来冲压成本很低,但是现在量上不去,所以成本始终降不下来,这是一大问题。

我们单位的燃料电池的情况。我们航天新长征这个公司是航天十五所前子公司,我们公司的主要业务分几块:信息化转播车、高空作业车、低速电动车、燃料电池。燃料电池我们已经干了十多年了,在这段时间里,我们大大小小做了很多产品,其中有500瓦燃料电池堆向日本出口超过了500多台,这是我们用我们堆做的车,这是2004年做的,这是我们做的燃料电池的发动机,2013年通过招标承担了北京市燃料电池堆的项目,这个项目要提交客车5套,轿车1套,通过这几年努力,这个项目已经做完了,技术指标已经达到了要求。 这是我们的模块,谢谢大家。 

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