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江海克:氢能燃料电池发电系统的原材料选购、电堆核心技术、 动力总成结构

   日期:2018-06-04     来源:中国储能网    浏览:749    评论:0    
核心提示:5月19日至21日,第八届中国国际储能大会在深圳隆重召开, 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等
 5月19日至21日,“第八届中国国际储能大会”在深圳隆重召开, 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等国和地区1500余位政府机构、科研院所、行业组织、电力公司、新能源项目单位、系统集成商等代表出席本次大会。

来自深圳市雄韬电源科技股份有限公司江海克发表了题为"氢能燃料电池发电系统的原材料选购、电堆核心技术、动力总成结构中国低温燃料电池发展现状"的精彩演讲。

演讲内容如下:

江海客:我今天的演讲的是行业环境、公司介绍、行业发展。

行业环境,我们都对燃料电池比较熟悉,刚才李老师讲的有涉及PEM技术,一种低温的发电装置。还有SOFC,属于那种高温的一个发电装置。燃料电池是高效、零排放、超长续航里程的发电装置。

深圳雄韬的主要应用是车载电源,氢气的来源也是一个难题,有煤和天然气重整制氢,配上碳捕捉的装置,有化工废氢,雄韬在武汉基地是特别会发挥化工废氢的优势,尤其是氯碱化工厂的氢。中国西北的弃风、弃光,可以以电制氢,还有光化学的制氢。燃料电池是适合不同功率的应用,有的比较小,比如说军用的单兵电源、无人机,还有之前讲过日本强劲的热电联产的民用电源,还有应急发电车,到了千瓦级的时候,这几年比较火的车载应用,比如说本来我最早是在奇瑞的越野车装了一个10KW,那是5年前的事,现在装的都是40KW以上的装置,能量密度越来越高,体积变小,功率变大,所以可以看这几年中国这几个民营企业发展很快。再大的就是分布式发电,像刚才提到了辽宁营口的荷兰氢电的项目,也是比较有代表性的,最大的是大型电站,那是比较适合SOFC。PEMFC技术,我自己的研发方向可以做到MW级的发电站,不一定都是固体氧化物的。刚才提到的辽宁营口的项目,那就是用PEMFC技术,所以可以做到。

燃料电池的性能,行业的优势,已经实现了规模的量产,像基建备电做到比较多,热电联产也是比较多,右边的图是不同燃料电池类型的热交换膜,直接甲醇燃料电池,固体氧化物、碱性等,可以看到它的分布图。到2015年还是以质子交换膜为主。去年很流行的一个说法,不知道今年是否还流行,全球燃料电池看中国,中国燃料电池看上海,希望你们也关注武汉。中国在燃料电池发展方面有很多政策,跟着中国政府走不会有错。他们有支持燃料电池发展的相关政策,主要是限制哪方面的,不是技术方面的,是功率密度方面的,就像对锂电的能量密度有限制和要求,对燃料电池也有要求。还有一个说法是到了2020年,燃料电池和锂电不一样,燃料电池补贴不退坡,锂电会退坡,我们的补贴不退坡,但是我们的技术要求提高了。

氢能燃料电池主要的优势相当凸显,它是可再生能源,氢气是可再生能源来源很广泛的,前面提到了很多化学的来源,天然气重整、甲醇重整、电解水发电等等,它是无污染的被称之为终极能源,可以看元素周期表左上角就是氢气,就是终极能源。更安全,相对燃油和锂电池,氢气容易消散,道路使用更安全。大家可能难以置信,氢气怎么会更安全?氢气有燃烧的比例,丰田为了推广汽车做了很多视频,他们对储氢罐开长枪,他们从高楼上扔下去,他们做很多测试,到今天为止,我们敢说氢气用在交通领域是安全的燃料。续航里程超长,能量密度很高。车载续航,续航里程达到500-1000公里。目前续航里程的设计目标是350公里左右,加氢快,可以在3-5分钟加满氢气,再回到能量密度高的说法,有可能不是很对,氢气虽然说是一种终极能源,是一种无污染的能源,但是氢气的能量密度其实没有那么高,所以为什么我们做这行都很关心?像程老师提到的储氢的技术,因为我们需要相当大量的氢气发一度电,如果氢气浓缩到常温、常压的什么储氢装置,这是最理想的状况。这个燃料电池相当于一个燃料发电机,你给我们氢气我给大家电,像燃料车一样,有多少汽油续航里程就是多少公里。所以现在氢气的储存也是一个难题。目前国标允许我们在35MPa气压下储存氢气,日本和德国已经通过70MPa的储氢标准了。

现在在国内,中国燃料电池,汽车产业化,说一下汽车的应用。上海那边2020年实现5-10个十座加氢站,燃料电池示范项目到三千多辆,2025年到3万多辆。湖北武汉,2020年聚集超过100家燃料电池汽车产业链相关的企业。燃料电池汽车企业产值超过很大的数额,到江苏苏州,苏州那边也是要建设很多的加氢站。广东云浮也有很多这方面的目标。佛山,很多人不知道佛山,佛山南海区是中国第二大人均GDP的区,相当于比较发达,他们比较有钱,对这方面的支持度也很大的,也在我们广东省。

介绍一下公司情况,这边介绍的是北京氢璞的情况,主营业务是燃料电池电堆、电池系统等,现在有80个人,属于国家高新技术企业。右边是我们在江苏扬州的新工厂,是中国的第一个全自动化燃料电池电堆的生产线,落户到那边去了。

燃料电池的能效发电装置,这边横坐标是功率,纵坐标是效率,可以看到燃料电池在比较低的功率情况下效率很高,ICE是内燃机,内燃机需要大功率才能达到相当高的效率。像纯电动汽车在零转速的时候时效最高,内燃机需要增速比较高,这就是为什么深圳开始推广纯电动大巴的时候,很多老太太上这个车买菜,上这个大巴就感觉很使劲,功率很大。因为它就是零转速功率最大,不像柴油大巴慢慢上去。

燃料电池用在汽车领域会和其他先进技术匹配,比如说自动驾驶,还有一些车联网,比如全球交通电动化是大势所趋,燃料的技术归类于电动齐备。所以纯电动汽车仍然是耗电的,是国家电网的负担。纯电动需要到处配置充电桩,很占地,充电很慢,燃料电池加气站可以利用现有的加油站场地,最近通过的核电站的国标就是加油加氢,还有充电,可以放在一起的标准。还有无人驾驶电动化,燃料电池车载的增程器,这是属于动力领域未来的技术。比如说车联网时代,物流车可以看实时的运行的数据。

续航里程较长,体现氢能的成本优势。在这边横坐标是续航里程,纵坐标是综合成本,绿色曲线是燃料电池,然燃电电动汽车,每公里成本的曲线图。蓝色这个曲线是纯电动汽车每公里成本的曲线图。大家看一下这个图,由于锂电放电后仍然是很重,它会导致能量密度很低,燃料电池车载发电系统不光是氢能,也是“轻”之能。燃电成本曲线图和锂电成本曲线图交汇处是左边纯电动总成本便宜,右边是燃料电池成本便宜。我们这边续航里程较短,可以看到这个地方比较低,锂电比较便宜,燃料电池比较便宜,你看这个曲线图,说明燃料电池在续航里程较长的情况下,是综合成本最便宜的一个传动技术。国外历程持平点是两个成本差不多的点。就算国内电池便宜了一半,也会在200公里,但是今日市面的燃电货车加满氢气可以跑400公里左右。

这个曲线图为什么下降,燃料电池为什么下降?这就是补贴的作用。这个下降之后燃料电池持平点从较长缩短到这里,我们200公里以上的就已经可以实现成本优势。

动力领域电动化的迭代演变,这是机动车动力源演变的方向,演变的方向是往右边,横坐标是普及时常,纵坐标是功率,我们从这边开始,这是比较早期的混合动力,动力电池只占动力总成的一小部分。柴油或者是内燃机占绝对部分,比较大部分,汽油就可以配稍微大一点的锂电,但是内燃机仍然是50%以上,这边是到所谓中等混合动力,差不多各自一半,锂电、动力电池和内燃机,到深混是动力电池比较大。内燃机越来越小。这边实现纯电动化,这边是发展趋势,是全球交通发展趋势。这个是代表氢能燃料电池在动力总成的百分比,在增程式,也就是几年前系统的设计方案,增程式依然以锂电为主,有可能拿一个轻型卡车上面配了4个电池包,去掉一个或者两个,配一个小型燃料电池。到今天国内行业的现状,就这边的,我们现在在从增程式往电电混合,就是锂电和燃电方向发展,这边是锂电又回到50%,燃料电池是50%,氢能汽车就是放电倍率比较高的锂电,然后最大的动力源就是氢能,现在已经有样车,有公司在做。丰田、本田他们都有车在做。这已经实现了氢能汽车。

燃料电池汽车发展的主要瓶颈,300MW到500MW,到2020年是以中等功率燃料电池与大容量电池混动,公共服务用车规模示范,比如说万辆级,然后再往多是越来越大,再就是节能新能源汽车的路线图。燃料电池的动力总成的燃料是什么?方案一是车载碳氢化合物重整制氢机,这在国内也有人在做,有样车,这是拿碳氢化合物重整,它要提纯,也是这个技术的瓶颈,到燃料电池可以发电。到这边就是电控,配一个锂电,这边就是电机,这边就是传动。方案二是车载高压储氢罐,传动,然后电机、电控,配锂电,高压储氢,燃料电池和锂电,动力系统的总成设计大家设计好了,问题是车载氢气怎么来的。问题是现场制氢,不能储存,右边的方案是高压储氢。

混合动力的系统匹配,横坐标是时长,纵坐标是供电响应,动力电池动态响应比较高,但是供电时长比较短,也就是纯电动汽车有可能续航里程有限,燃料电池供电时长相当长,续航里程比较远,动态相应比较低,燃料电池是有固态的东西,业态的冷却液,还有气态,三态在一起,燃料电池是要升温、升压才能达到最佳工作状态,所以动态响应是有限的,这两个放在一起是取长补短。这是混合动力的汽车。

最后给大家看一下燃料电池电堆自动化生产线,大家有需要可以过来参观。非常感谢!

(本文根据现场录音整理,未经本人审核)
 
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