鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：301次 | 2024年01月05日
車用燃料動(dòng)力鋰電池技術(shù)
燃料動(dòng)力電池的原理是電化學(xué),跟鋰離子電池完全是相同的,但是燃料動(dòng)力電池因?yàn)榘l(fā)電原理是電化學(xué),所以效率比較高,一般來說在車用是60%左右。
燃料動(dòng)力電池的工作方式是內(nèi)燃機(jī),跟內(nèi)燃機(jī)完全相同,燃料動(dòng)力電池只是能量轉(zhuǎn)化的場所,因此它的燃料是儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐當(dāng)中,所以燃料動(dòng)力電池是比較安全的,電堆里的能量很少,我搞了一輩子燃料動(dòng)力電池,從來沒有發(fā)生過燃燒和爆炸的事故,電堆出事情,只要把氫氣切斷電堆就安全了,所以燃料動(dòng)力電池的工作方式是內(nèi)燃機(jī)的,它的安全性比鋰離子電池高。
燃料動(dòng)力電池在車上用,它就是代替了內(nèi)燃機(jī),現(xiàn)在燃料動(dòng)力電池都是低電壓工作、大電流,所以通過DC/DC升壓,電電混合,這是我國863萬部長、歐陽他們提出來的,現(xiàn)在國際通用。
假如要搞增程式的,就防止不了鋰離子電池爆炸的危險(xiǎn),采用電電混合,可以用超電容或者鎳氫電池,所以燃料動(dòng)力電池車是比較安全的。跟內(nèi)燃機(jī)比,油箱用氫瓶代替,內(nèi)燃機(jī)是燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī),排放物僅僅是水。燃料動(dòng)力電池車跟電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力來比,它適合于大功率、長程的運(yùn)輸,所以適合于像公交車和重載車,在這方面有明顯的優(yōu)勢。
到2017年我國有了2千多輛燃料動(dòng)力電池,昨天的報(bào)告說,2018年要有1500多輛,所以我們現(xiàn)在能有2400多輛燃料動(dòng)力電池車在運(yùn)行,要趕上美國了。國際電池現(xiàn)狀,2014年十二月十五日,豐田宣布開始銷售,同時(shí)專利開始無償使用,所以這個(gè)對燃料動(dòng)力電池發(fā)展是重大進(jìn)步。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
由于燃料動(dòng)力電池乘用車受加氫站的限制,所以豐田跟日野合作做了燃料動(dòng)力電池大巴,準(zhǔn)備作為奧運(yùn)會(huì)的通勤車。最近豐田又開始跟美國的肯沃斯合作開發(fā)重載車,準(zhǔn)備在美國的加州進(jìn)行運(yùn)行10輛,加州空氣委員會(huì)供應(yīng)了4500萬美元的資助,這是燃料動(dòng)力電池車首先能夠代替柴油車的一個(gè)重點(diǎn)方向。
本田2016年也開發(fā)出了燃料動(dòng)力電池車,現(xiàn)代,歐洲定了4千臺(tái)左右的燃料動(dòng)力電池車。從燃料動(dòng)力電池來看,現(xiàn)在壽命已經(jīng)基本上達(dá)到了要求,加州13輛車已經(jīng)運(yùn)行了,奧克蘭運(yùn)行,達(dá)到2.5萬小時(shí)。從pt用量來看,國際每千瓦0.2克,國內(nèi)0.4克左右,歐洲又搞了第二次大巴車的示范運(yùn)行。
同時(shí)開始考慮建立燃料動(dòng)力電池堆的生產(chǎn)線。
從國際上看,燃料動(dòng)力電池已經(jīng)進(jìn)入了市場的導(dǎo)入階段,發(fā)動(dòng)機(jī)的功率大幅度提升,用70MPa氣瓶已經(jīng)可以跑500公里以上,負(fù)30度以上,基本上滿足了要求,現(xiàn)在問題是沒有大批量的生產(chǎn)線、成本比較高,受加氫站的制約,所以將來從電堆、燃料動(dòng)力電池角度,最重要的任務(wù)還是降低pt用量,降低催化劑燃料動(dòng)力電池的成本。從國內(nèi)來看,我們從2007年的上海比比登賽一直到2010年的世博會(huì),我們進(jìn)行了大量的燃料動(dòng)力電池車運(yùn)行。世博會(huì)之后上汽又搞了創(chuàng)新征程,證明電動(dòng)汽車適應(yīng)我國的增程環(huán)境。
今年開始我們成立了氫能和燃料動(dòng)力電池聯(lián)盟,十月份在?？陂_了第一次論壇。國家來看,我們從資助任務(wù)上,已經(jīng)資助了十三五期間8.27億元的費(fèi)用,兩個(gè)重大項(xiàng)目,一個(gè)是低成本的燃料動(dòng)力電池堆及關(guān)鍵材料的技術(shù)研究與工程開發(fā),這個(gè)是大連新源動(dòng)力承擔(dān)的,還有一個(gè)是濰柴的任務(wù),這兩個(gè)任務(wù)的錢是比較多的。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備
從現(xiàn)在來看,國家已經(jīng)在2018年有57家公司、共86個(gè)車型入選,其中億華通有23款、廣東國鴻20款,我們這個(gè)車有1500多輛在2018年。各個(gè)城市、省市都動(dòng)起來了,領(lǐng)頭的是上海,上海準(zhǔn)備有400500輛商用車進(jìn)行示范運(yùn)行,要建立三個(gè)平臺(tái),動(dòng)力系統(tǒng)及零部件研發(fā)平臺(tái)、氫能產(chǎn)業(yè)公共服務(wù)平臺(tái)、燃料動(dòng)力電池車運(yùn)營保養(yǎng)中心。上海大通V80是世界上可以公開出售的第4個(gè)車型,輕型客車,賣30萬元。遼寧省的新賓縣買了60輛,已經(jīng)開始示范運(yùn)行,補(bǔ)貼后售價(jià)30萬元。上汽也開發(fā)了榮威950,也可以公開出售。億華通跟神力合作已經(jīng)研制了3種類型的燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī),30千瓦到60千瓦,都在裝車示范運(yùn)行。
示范運(yùn)行在張家口有74輛燃料動(dòng)力電池車,有99輛福田車和25輛宇通12米的大巴車,已經(jīng)開始示范運(yùn)行,張家口在我國還是比較寒冷的地區(qū),運(yùn)行結(jié)果證明,在寒冷條件下,燃料動(dòng)力電池車只要解決了啟動(dòng)問題,它還是比鋰離子電池車優(yōu)越的,因?yàn)槿剂蟿?dòng)力電池車工作起來以后,它的溫度就是你設(shè)定的工作溫度,不像鋰離子電池受環(huán)境的影響比較大。
宇通已經(jīng)開發(fā)了三代燃料動(dòng)力電池車,最重要的證明,就是證明在開空調(diào)的條件下百公里要消耗0.8公斤左右的氫,鄭州也開始示范運(yùn)行,除了在張家口以外。我們國鴻已經(jīng)能夠做30千瓦80千瓦的燃料動(dòng)力電池電堆,這是P30,這是85千瓦的,適合裝大巴車,它在云浮市有70輛燃料動(dòng)力電池車投入運(yùn)行,佛山也搞了首輛輕軌車下線,現(xiàn)在德國要搞輕軌運(yùn)輸車,這個(gè)是很好的發(fā)展方向。
現(xiàn)在我國的加氫站10左右正在運(yùn)行,明年預(yù)計(jì)有100臺(tái)左右。有人說40臺(tái),昨天聽報(bào)告真正運(yùn)行的是12臺(tái),運(yùn)行最頻繁的還是張家口、云浮和上海,加氫量最多的。
這是老的一些加氫站,這是可以做各種加氫實(shí)驗(yàn)的,在大連863支持建立的新源動(dòng)力的加氫站,還有宇通自己建的加氫站。在如皋神華建立最大的加氫站,每天加氫能力可以達(dá)到1千公斤。
萬鋼在2017年未來出行上?？茀f(xié)年會(huì)上指出,氫燃料動(dòng)力電池在壽命、可靠性、適用性上基本達(dá)到了車輛使用要求,我國初步掌握了相關(guān)的核心技術(shù),基本建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)燃料動(dòng)力電池動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái),未來重要要加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新,加快推進(jìn)燃料動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展。
從國內(nèi)來看,我們已經(jīng)掌握了燃料動(dòng)力電池的核心技術(shù),并經(jīng)過了大量的示范運(yùn)行,積累了豐富相關(guān)經(jīng)驗(yàn),具備了進(jìn)行大規(guī)模示范運(yùn)行的條件。我們現(xiàn)在要盡快實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料、電催化劑、質(zhì)子交換膜、膜電極三合一、雙極板等批量生產(chǎn),為降低電堆成本和提高電堆一致性奠定基礎(chǔ)。要提高電堆的比功率,降低電堆成本和pt用量。進(jìn)一步提高電堆系統(tǒng)的可靠性和耐久性。
從國際上來看,燃料動(dòng)力電池車已經(jīng)達(dá)到了四缸內(nèi)燃機(jī)的體積水平,上次?？跁?huì),本田宣布已經(jīng)達(dá)到了六缸內(nèi)燃機(jī)的水平,功率密度達(dá)到每立升3千瓦。我們國內(nèi)裝車的電堆現(xiàn)在大概都在每立升2.0千瓦左右,就是V80、榮威750和榮威950用的都是在這個(gè)數(shù)量級(jí),所以我們輸出功率我們的電堆比國外還是低1/3左右。
要想降低我們?nèi)剂蟿?dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)的成本,特別是電堆成本,我們要提高單電池,首先要研究提高單電池的比功率,這個(gè)就是降低化學(xué)極化、歐姆極化和傳質(zhì)極化。
要降低化學(xué)極化,重要要搞高效的電催化劑,現(xiàn)在國際上的通用是搞鉑合金催化劑,核殼催化劑有三種辦法來制備。這是化物所做的,超小鉑銅合金催化劑,它的性能是現(xiàn)在碳鉑催化劑的35倍,這是化物所做的鉑鎳納米線的催化劑,性能也是碳鉑催化劑的3倍多。有了高效的電催化劑,我們就可以提高電堆的電流密度,減少化學(xué)極化。同時(shí)我們要采用鉑增強(qiáng)的混合膜,降低歐姆極化。通過增強(qiáng)膜就可以減播,另外通過過氧化物,可以減少膜的化學(xué)腐蝕,這是我們化物所做的結(jié)果,它的F釋放率大幅度下降。
這是Gore公司做的1015微米的膜,我用薄膜就可以減少歐姆極化。另外要采用新型流場,降低傳質(zhì)極化。像豐田,把二維流場改為三維流場以后,傳質(zhì)極化就大幅度下降,這樣我們的密度就可以提高到幾個(gè)安培每平方厘米,這是它把原來的二維流場改為三維流場,電流密度就可以達(dá)到幾安培每平方厘米。
我們有了單池性能提高以后,現(xiàn)在國內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室里面單池研究已經(jīng)達(dá)到了每平方厘米1安培的時(shí)候在0.7V以上,每平方厘米2安培在0.6V以上,我們正在向2.5安培進(jìn)軍。雙堆可能每立方厘米1安培,以后要發(fā)展到2、2.5安培,這樣我們電堆水平就可以達(dá)到豐田的水平以至于超過豐田的水平。
從電堆角度來看,流場阻力越大電堆的一致性越好,但是供供氣力加大,空壓機(jī)內(nèi)耗新增。我們要研究低內(nèi)耗的空壓機(jī),才能保證我們電堆的高功率密度輸出。另外我們要提高雙極板制備的一致性,特別是平整度,不管是金屬板還是石墨板,它的平整決定電堆一致性是關(guān)鍵因素。我們要改進(jìn)制備MEA的一致性,特別是MEA的平整度和封邊技術(shù),因?yàn)槿剂蟿?dòng)力電池組裝以后,在公用孔道里面膜會(huì)膨脹,會(huì)嚴(yán)重影響氣流分布,所以在公用孔道里露出的膜全部封死,這樣才能包裝組裝的阻力在運(yùn)行當(dāng)中不變化,所以MEA的制備核心是用薄膜和解決封邊技術(shù)。另外,優(yōu)化電堆的結(jié)構(gòu)。
這是國內(nèi)采用的雙極板,開始是無孔碳板或者是膜壓的或者膨脹石墨的都屬于這一類,還有復(fù)合板,現(xiàn)在新源用的重要是復(fù)合板,用金屬做分割,0.1毫米的不銹鋼板做分割,用碳板來做流場,現(xiàn)在在發(fā)展的就是金屬板。
金屬板可以使電堆功率密度提高,這是化物所做的金屬雙極板,基本上達(dá)到了我們的使用要求。
從電極制備來看現(xiàn)在有三代,開始都是做噴涂電機(jī),后來是CCM,現(xiàn)在裝機(jī)用的電堆重要是第二代電極,第二代電極的批量生產(chǎn)技術(shù)也要我們攻克,因?yàn)楝F(xiàn)在的噴涂技術(shù)不適合于幾百萬輛車的生產(chǎn)。
這是化物所的靜電噴涂技術(shù)。
要改進(jìn)電堆的組裝工藝,因?yàn)殡姸讯际前磯毫C(jī)方式組裝起來的,重要構(gòu)成是雙極板和MEA、密封件,所以這個(gè)組裝要有嚴(yán)格的工藝和定位技術(shù)。
這是我們在堿性電池當(dāng)中發(fā)展出來的,因?yàn)榘衙芊夂蚆EA的壓伸要有效配合起來,把各種組件要一致、高度也一定,我設(shè)計(jì)這個(gè)電堆以后我就了解最后組裝的高度是多少,有了這個(gè)公式就可以組裝出一個(gè)均勻的電堆。
這是我們化物所裝出來的每立升3.0千瓦的電堆,現(xiàn)在我們的工作電流密度還是1安倍,我們希望能夠盡快的提到1.5和2安培。
這是它的改進(jìn)型,已經(jīng)達(dá)到了每公斤400瓦、每平方厘米1安培,現(xiàn)在正在改進(jìn)向2安培走。假如我們現(xiàn)在能夠做到每平方厘米2安培,我們的pt用量就跟豐田國際水平相同,每千瓦0.2克,現(xiàn)在我們還是0.4克左右。我們的體積比功率可能達(dá)到每立升3百多千瓦,就跟國際水平靠攏了。所以希望我們搞燃料動(dòng)力電池的人大家聯(lián)合起來,盡快的把我們國家燃料動(dòng)力電池的工作電流密度和比功率提上去,你搞石墨板,可能體積密度比功率低一點(diǎn),但是你也要把電流密度提上去,電流密度提上去,pt用量就下來了。電流密度提上去了,因?yàn)槿剂蟿?dòng)力電池是按千瓦來賣錢的,1千瓦多少錢,而不是說這個(gè)堆多少錢,所以千瓦上去了、電流密度上去了,這個(gè)堆輸出的千瓦數(shù)就比較多了,原來輸出30千瓦,現(xiàn)在就可以輸出50千瓦,這樣我的成本也大幅度下降。
我的意思是,不管是搞石墨板的我們國內(nèi)的主流,還是搞金屬板的,都要把電堆的工作電流密度提高上去,來趕上國際水平,兩者是相同的。有人說石墨板不用提高,不用提高將來成本就把你擠下來了,所以我說石墨板也要提高,我們要改進(jìn)MEA和電池的一致性和均勻性,改進(jìn)組裝工藝,把這個(gè)事情做上去。我們電堆上去以后系統(tǒng)要配合,
我認(rèn)為燃料動(dòng)力電池現(xiàn)在基本上不能說是個(gè)瓷器,但是至少是塑料的,不是鋼鐵的,所以系統(tǒng)是起一個(gè)保駕的用途,在一個(gè)適合它生存的環(huán)境中兩生存,這樣燃料動(dòng)力電池的壽命才能達(dá)到要求。
隨著關(guān)鍵材料的進(jìn)步,我們的保護(hù)措施可以逐漸下降,但是目前還不能。舉個(gè)例子,假如我們做電催化劑要能抗1.6V的高壓不氧化,碳載體也不氧化,我的啟動(dòng)、停車就沒有必要解決開路氧化問題,所以我們現(xiàn)在材料還跟不上去,從國際上看也沒有做到,我們?nèi)剂蟿?dòng)力電池的壽命是電堆和系統(tǒng)雙方配合的結(jié)果,而不是電堆自己的努力,要兩方面結(jié)合起來。所以我們也要加強(qiáng)電堆部分、系統(tǒng)部分關(guān)鍵部件的研發(fā)。所以我建議:
第一,盡快要完善燃料動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)鏈,建立擴(kuò)散層碳紙生產(chǎn)線。大家好多人都在說,說我們產(chǎn)業(yè)鏈基本配全了,我認(rèn)為這種小的像碳紙擴(kuò)散層一定要建立生產(chǎn)線,目前還沒有。我們現(xiàn)在把注意力都集中在膜和雙極板上了。另外要發(fā)展空壓機(jī)和氫氣循環(huán)泵。
第二,要提高電堆的工作電流密度,提高電堆的體積和重量比功率,降低電堆的成本,為開發(fā)乘用車奠定基礎(chǔ)。因?yàn)槌擞密囈话阆Ｍ讶剂系碾姸押涂刂撇糠侄挤旁谇懊鎯?nèi)燃機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)部位。
第三,要深入研發(fā)電堆的衰減機(jī)理,開發(fā)抗腐蝕、穩(wěn)定的新材料,大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和耐久性。所以可靠性和耐久性是靠系統(tǒng)和電堆共同來決定的,電堆進(jìn)步了系統(tǒng)我們就可以簡化,所以電堆和系統(tǒng)要相互配合,通過關(guān)鍵材料的進(jìn)步來簡化電堆系統(tǒng)。
第四,開展超低鉑和非鉑電催化劑的理論和應(yīng)用研究,進(jìn)一步把電池的鉑用量降低到每千瓦小于0.1克。這是國際上燃料動(dòng)力電池的基本要求。
第五,建立關(guān)鍵部件、電堆和電池系統(tǒng)的測試,與耐久性快速評價(jià)方法。這是我們現(xiàn)在燃料動(dòng)力電池標(biāo)委會(huì)正在做的一件事情,因?yàn)榇蠹叶颊f我是前列,到底是不是第一我們要有一個(gè)中立機(jī)構(gòu)進(jìn)行評選。所以我想,我們要盡快建立中立性的檢測機(jī)構(gòu),就是它本身不做燃料動(dòng)力電池開發(fā)、也不做系統(tǒng)、也不做電堆,但是有一個(gè)檢測機(jī)構(gòu),這樣對推進(jìn)我們?nèi)剂蟿?dòng)力電池技術(shù)的進(jìn)步,趕上世界水平會(huì)有重大用途。
我希望我們?nèi)剂蟿?dòng)力電池車盡快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的S型曲線的上升階段,到一定程度我們能甩開補(bǔ)貼,也能夠盈利?，F(xiàn)在有人預(yù)計(jì),燃料動(dòng)力電池車從關(guān)鍵材料講,只要鉑用量降下來了,我們比鋰離子電池可能成本還要低,因?yàn)橹挥秀K是貴的,所以你要把鉑搞下來了,其他東西都是鋼鐵和有機(jī)的東西,完全可以降低成本,所以有跟鋰離子電池和燃油車競爭的基礎(chǔ),但要靠我們技術(shù)人員的共同努力。
