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同济张新丰:利用先进的测试验证方法和工具链加快燃料电池汽车产业化开发

原标题:同济张新丰:利用先进的测试验证方法和工具链加快燃料电池汽车产业化开发

在上海同济大学和德国斯图加特大学联合举办的第二届上海-斯图加特汽车及动力技术国际研讨会上,来自同济大学的张新丰博士分享了关于燃料电池的学术见解

2017年10月27日,在上海同济大学和德国斯图加特大学联合举办的第二届上海-斯图加特汽车及动力技术国际研讨会上,来自同济大学的张新丰博士分享了关于燃料电池的学术见解。会后,汽车氪对张新丰博士进行了专访:

汽车氪:同济大学从哪一年开始研究的燃料电池?

张新丰:同济大学是最早研究氢燃料电池的研究机构之一,我们最早在1998年开始了燃料电池汽车动力系统的研究,从最早期侧重于燃料电池汽车动力系统开发,逐步过渡到燃料电池系统集成,及扩展到辅助系统关键零部件的开发,目前在燃料电池电堆建模、系统集成与控制、测试验证方法与工具链等方面均有研究。在电堆材料方面,膜电极、催化剂、双极板等均取得了一定的成果。

汽车氪:您参与编写了《氢燃料电池汽车发展技术路线图》,谈一谈你对中国发展燃料电池汽车的看法?

张新丰:燃料电池汽车相关的主要课题已经逐步地从政府主导的攻关阶段进入到工程化、产业化及商业化阶段,经过近20年的探索,产业界逐步形成了两种发展思路:

第一种思路,要求政府继续组织攻关,突破燃料电池发动机关键技术,在功率密度、效率、耐久性、环境适应性等性能方面取得至少与内燃机相当的水平;然后再逐步推广应用。

第二种思路,要求政府提供适当的刺激政策,率先在某些领域实现燃料电池的产业化,不要拘泥于完全自主开发,(黑猫白猫都可以,让大家看到这个产业有利可图),然后吸引民间资本,对创业公司进行投资,边产业化边发展,实现滚动发展。

两种发展思路都有道理、都在走。这次发布的国家重点项目指南来看,也能看出这点。

汽车氪:氢燃料电池发动机开发周期如何?

张新丰:燃料电池发动机应该有自己的开发节奏,主要有以下原因:

1)燃料电池发动机的开发周期更长。从MEA到电堆,从电堆到发动机,从发动机到整车动力系统,创新链也很完整,但是我们忽略了每个环节指标的提升所需要花费的时间是不一样的。总的来说,膜电极材料体系的验证成熟要比电堆集成慢;电堆集成要比发动机开发慢;燃料电池发动机开发周期要比整车动力系统慢,慢很多。

2)相较于整车零部件来说,燃料电池发动机的零部件和产业链更不完整,往往电堆找不到合适的压缩机,找不到合适的加湿器;目前,小型专用压缩机是制约高功率密度燃料电池发动机的主要瓶颈。

3)燃料电池电堆与辅助系统的耦合要比发动机与动力系统的耦合更加紧密,前者涉及到燃料、供气、冷却、电力及控制信号方面的协调;后者主要是功率的动态匹配与调控。因此燃料电池发动机作为一个产品形式,具有一定的完整性。

汽车氪:氢燃料电池的开发难度在哪里?

张新丰:一方面:燃料电池发动机是目前该领域最复杂的、多学科集成的动力系统之一,涉及材料学、电化学、传热学、流体力学、结构力学、控制理论等众多领域,需要在高温、高压、高转速和高载荷的严酷条件下工作,并满足重量轻、可靠性高、安全性好、寿命长、高效率等众多十分苛刻而又互相矛盾的要求。

另一方面:燃料电池发动机的研制,我个人认为,不亚于航空发动机的研制,只是努力的方向不一样,低成本、高可靠性(ECU级别50-100ppm, 动力系统0.1%)

汽车氪:您认为提高氢燃料功能密度的技术难点在哪里?

张新丰:提高燃料电池系统功率密度需要从以下几个方面入手:1)提高电堆的工作电流密度;依赖膜电极材料的改善,减小活化/欧姆/扩散损失,需要采用更薄的离子交换膜,有更活性的催化剂,透气性更好、疏水性更好的扩散层,优化流场设计等。2)减小电堆和系统的体积,比如采用更薄的双极板,更小的空压机等辅助系统零部件,以及集成设计等;3)提供相应工作电流密度下所需的阴极气流,也是就是需要较大压比和较大流量的空气。以上这些方法均具有很大的挑战。

汽车氪:氢燃料电池发动机开发周期是怎样的?

张新丰:燃料电池发动机应该有自己的开发节奏,主要有以下原因:

1)燃料电池发动机的开发周期更长。从MEA到电堆,从电堆到发动机,从发动机到整车动力系统,创新链也很完整,但是,我们忽略了每个环节指标的提升,所需要花费的时间是不一样的。总的来说,膜电极材料体系的验证成熟要比电堆集成慢;电堆集成要比发动机开发慢;燃料电池发动机开发周期要比整车动力系统慢,慢很多。

2)相较于整车零部件来说,燃料电池发动机的零部件和产业链更不完整,往往电堆找不到合适的压缩机,找不到合适的加湿器;小型专用压缩机目前是制约高功率密度燃料电池发动机的主要瓶颈。

3)燃料电池电堆与辅助系统的耦合要比发动机与动力系统的耦合更加紧密,前者涉及到燃料、供气、冷却、电力及控制信号方面的协调;后者主要是功率的动态匹配与调控。因此燃料电池发动机作为一个产品形式,具有一定的完整性。

汽车氪:燃料电池发动机有哪些性能需要综合考虑?

张新丰:刚刚我说到,燃料电池发动机开发的难度很大。一方面,他需要考虑的性能方面非常多,有动力性、经济性、耐久性、适应性、可靠性、还有动态响应、功率品质、安全性、环境友好等等;另一方面不同性能之间形成相互制约/相互折中。与Ludwig Joorison交流时,谈到日本某汽车企业大功率燃料电池发动机,我们都在想,为什么功率要达到115kW? 后备功率?是不是以成本换取耐久性、换取经济性?等等,燃料电池发动机设计的策略,指标的调整和优化方法是企业的核心机密。

为了使得各种指标具有可比性,必须采用标准的测试方法,但更重要的是开发标准化的测试工具、建立标准化的实验设备和测试实验室。

汽车氪:那如何加快燃料电池发动机的开发节奏?

张新丰:国内燃料电池发动机开发,基本没有国外的技术来源,引进消化吸收的可能性比较小,只能走正向开发的道路。开发过程中所需的测试方法、设备及工具也很少。特别强调,利用先进的测试理念和测试思维,建立从零部件验证、子系统静态匹配,动态模型与算法测试验证、系统集成验证、发动机性能评价、道路环境下技术验证的完整测试工具链和验证体系。

张新丰,承担及参与科技部电动汽车专项、重大仪器专项等多项,发表学术论文40余篇,申请/授权发明专利20余项,出版教材与著作2部《质子交换膜燃料电池建模与Matlab仿真》《汽车电子控制系统仿真与设计》,有8年燃料电池系统集成经验,参与编写《中国节能与新能源汽车技术路线图——氢燃料电池汽车发展技术路线图》

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