中國儲能網(wǎng)訊：5月24日，由中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦，200余家機構(gòu)共同支持的第十一屆中國國際儲能大會在杭州洲際酒店召開。此次大會主題是“堅守儲能安全底線，推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展”。來自行業(yè)主管機構(gòu)、國內(nèi)外駐華機構(gòu)、科研單位、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)、系統(tǒng)集成商、金融機構(gòu)等不同領(lǐng)域的718家產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)，1952位嘉賓參加了本屆大會，其中88家企業(yè)展示了儲能產(chǎn)品。
在5月26日下午的“氫儲能與燃料電池”專場，西南交通大學電氣工程學院戴朝華教授分享了主題報告《氫燃料電池動車組混合動力若干關(guān)鍵問題》。經(jīng)演講人本人授權(quán)同意，小編整理了演講速記，并將速記內(nèi)容分享如下：
戴朝華：各位專家、各位領(lǐng)導，大家下午好！
我的匯報主題是《氫燃料電池動車組混合動力系統(tǒng)的若干關(guān)鍵問題》。針對動車組這一特殊對象，燃料電池混合動力系統(tǒng)面臨若干個關(guān)鍵問題，我這里主要跟大家匯報四個問題，談談我個人的看法和想法，可能有一些思路或者數(shù)據(jù)，有不妥的地方，請大家批評指正。
首先給大家報告一下我們團隊。我們是來自于西南交通大學軌道交通新能源團隊，我們主要是圍繞軌道交通新能源方向做了一些研究工作。第一個工作就是氫能軌道交通，我們是2008年開始從事軌道交通燃料電池的研究，我們研制成功了國內(nèi)首輛燃料電池調(diào)車機車，還有世界首列燃料電池混合動力100%低地板有軌電車，還有2021年剛出來的中國首臺燃料電池混合動力機車。第二個工作是提出鐵路牽引供電系統(tǒng)的光伏、風電接入方案，為可再生能源直接驅(qū)動軌道交通車輛提供解決方案。另外一個工作是軌道交通儲能技術(shù)，提供適合軌道交通的儲能方案。
在背景方面，軌道交通從速度和距離都是跨度最大的交通方式。今天講的動車組大概就位于下面這個地方，時速在120-160公里區(qū)域。關(guān)于軌道交通燃料電池方面，國外從托運車、調(diào)車機車、有軌列車、城際列車方面都有研究應用，城際列車就是法國阿爾斯通研制的時速140公里的動車組。
國內(nèi)的話，我們團內(nèi)在2013年推出了國內(nèi)首輛燃料電池調(diào)車“藍天號”，2016年和中車唐山推出了有軌電車，同一年中車四方和清華合作的有軌電車也出來了。我們今年做了一個混合動力的調(diào)車，目前正在跟一些單位合作動車組、重載和工程作業(yè)車方面的工作，估計今年工程作業(yè)車馬上會出來。
面對動車組這么一種車輛，主動力可以用燃料電池來做；另外一個是高鐵，其實高鐵的應急電源和輔機電源也可以用燃料電池。針對軌道交通車輛時速160公里甚至更高的情況，我們知道速度越大，車體和大氣邊界會存在一個低壓區(qū)域。由于燃料電池空氣供應系統(tǒng)的入口和出口直接對環(huán)境開放，所以環(huán)境壓力或空氣成分變化，對燃料電池的性能、壽命甚至安全穩(wěn)定都會有影響。也就是說，高速下的工況，因為邊界壓力的變化會引起一定的問題。這種高速下遇到的問題，有如下四種場景：第一個是車快速運行過程中，會在邊界產(chǎn)生低壓；另外是啟動-加速-減速-停車的循環(huán)工況會引起壓力波動。第二個場景是，鐵路難免存在隧道的情況，建隧道的時候為了降低成本，通常隧道截面積是盡可能小，也就是說車和隧道之間的空隙比較窄，這個時候，車進入、穿過和駛出隧道的時候，車體邊界的壓力也會有很大的波動。另外就是列車可能長距離驅(qū)使，甚至上千公里的行駛距離，可能存在不同高低海拔和高低溫度的切換循環(huán)，也對燃料電池有影響。最后就是兩個車之間同向或者相向運行，中間也會產(chǎn)生壓力的變化。所有的這些情況，都會對燃料電池產(chǎn)生很大的影響，所以必須針對不同工況各種場景，對燃料電池空氣的進口和出口的位置、結(jié)構(gòu)做一些優(yōu)化，對整個燃料電池系統(tǒng)的氫-氧-水-熱等等管理進行協(xié)調(diào)控制，確保燃料電池在各種場景下高效、安全、穩(wěn)定運行。
我們前面看了動車組，它的速度快、需求功率高，所以說它對燃料電池的需求功率也比較高。我們這里以時速160公里的輕軌城際動車組為例，燃料電池需求功率大概在400-600kW，儲氫量大概在200-300公斤。所以說動車組對高能量密度儲氫量有非常高的要求。
評價一個燃料電池車載儲氫系統(tǒng)，我這里列了十幾個指標。前面兩個是體積能量密度和質(zhì)量能量密度，這跟車上空間、輕量化要求和行駛里程決定的，必須要達到一定的能量密度；第三個是操作溫度，主要是滿足車上使用的便捷性和運行成本，4、5、6主要是儲氫系統(tǒng)循環(huán)性的問題，7、8、9是經(jīng)濟性問題，這個大家目前考慮得比較少，但它非常重要，是決定儲氫技術(shù)能不能大面積推廣的重要因素。第一個經(jīng)濟性指標是，為了達到氫的能量密度，它的能耗是多少？就是單位功耗可實現(xiàn)的氫氣能量密度，這是需要考慮的，不能一味追求氫氣的能量密度，但是能耗太大，從經(jīng)濟上也不合適；第二經(jīng)濟性指標是維護性的成本；第三是設備的價格成本因素。其它的方面就是安全性、操作性和膨脹性、導熱性等。膨脹性就是以固態(tài)儲氫為例，在充放氫過程中會發(fā)生膨脹。導熱性，也以固態(tài)儲氫技術(shù)為例，它本身放氫的時候需要吸熱，但如果本身導熱性差的話，這就非常影響放氫的速度，所以這些因素都需要考慮。
結(jié)合動車組的需求，它對能量要求，個人覺得目前如下五種儲氫技術(shù)是可能的方式：1）70MPa氣態(tài)壓縮儲氫，儲氫密度不是太高，結(jié)合到實際情況有可能可以用；2）固態(tài)金屬氫化物儲氫，先不說目前的可逆性、循環(huán)壽命、放氫速度，固體儲氫有一個矛盾，就是它隨著儲氫密度的增加，它的操作溫度也越高，200多度、300度甚至更高溫度，在車上的便捷性、運行成本來講就不劃算。但這里有幾位專家都是做固體氧化物燃料電池，如果固體氧化物燃料電池能夠做到上車了，固態(tài)金屬氫化物儲氫可能將是最有競爭力的一種方式。但是目前車上用的都是質(zhì)子交換膜燃料電池，是低溫的，所以我們對儲氫系統(tǒng)的放氫溫度就希望它在60度以內(nèi)，而且儲氫的質(zhì)量密度又在7%以上，循環(huán)壽命在1萬次以上，這樣才有比較大的競爭力。所以目前來說，質(zhì)子交換膜燃料電池的固態(tài)儲氫方式還要有一個發(fā)展過程；3）低溫液態(tài)儲氫，這種方式是低溫狀態(tài)下，零下253度，絕對溫度20K，在這種溫度下，它的氫氣液化能耗不可避免要占10%以上的氫的能量，現(xiàn)在的技術(shù)在30%以上，未來有可能達到15%。目前實現(xiàn)儲氫密度的功耗有點大，這是它的不足之處；另外是它的自然蒸發(fā)，被動絕熱、主動絕熱就會讓儲氫密度、能量的利用效率打一個折扣，所以說這是低溫液態(tài)儲氫不是首選的原因；4）高壓低溫液態(tài)儲氫，它在一定的高壓下，儲氫密度會有一個大的增加，但同樣的，它的問題和第三個差不多，除非是對能量密度有硬性的要求，而且運行的時間比較短，比如航天的發(fā)射，一下子發(fā)射完了，所以說這種場合可以；5）個人認為，這是動車組上目前最有競爭力的一種方式，就是高壓低溫氣相儲氫。我們知道氫氣壓縮的時候，在60MPa以上的話，它的非線性增加了，而且對設備的要求也高了。溫度的話，絕對溫度達到80K以下，這是比較難的，它的能耗是指數(shù)增加的，但是80K以上的冷卻相對來說比較簡單，比較常規(guī)化。所以從這兩點來考慮，我們覺得壓力在50MPa到35MPa范圍內(nèi)，溫度在100K-80K的情況下，整個系統(tǒng)的操作性、便捷性、安全性、經(jīng)濟性都有一個很好的均衡，它的能量密度也可以，能達到60kg/m3、6wt%以上，我認為這是最好的方案。針對高壓低溫的狀態(tài)下，它的壓縮機、低溫膨脹機所需的能量，我們盡量采用光伏等可再生能源，就進一步提高了整個系統(tǒng)的能效，現(xiàn)在都在講碳中和，這個也更有競爭力。當然從地面的制氫到加氫到用氫的整個過程，我認為我們必須要綜合優(yōu)化，比如說我設備考慮100-80K的范圍內(nèi)，它還是有熱損失的問題，所以盡量不要把氫制出來以后閑置太久，一直到車輛運行，整個過程要無縫銜接，避免多余的損耗和安全影響，滿足系統(tǒng)的高效、綠色運行。
第三個是大功率多堆拓撲與控制。動車組是400-600kW的功率，當然燃料電池單堆功率是有限的，必然存在多堆問題。當然現(xiàn)在國內(nèi)有一種潮流，就是想把燃料電池單堆功率做大，目前最大180kW。但是我覺得這種大的追求是沒必要，也是不科學的，因為本身提高功率無非就是兩個，一個是串得多，一個是面積大。串得多，它的穩(wěn)定性、它的流程，還有面積做大了，它的機械強度也會影響，電壓均衡和電流密度均衡的控制更加困難，因為很難保證電堆本身的溫度、濕度、壓力等時空分布的合理性，所以我目前建議最好的就是以100個千瓦的功率等級來，需要大的功率，進行多堆組合。這樣，那就涉及到拓撲的問題。拓撲有兩個拓撲：一個是電氣拓撲，對它的電是串還是并；另外一個是反應氣體管路的拓撲。兩個拓撲，都對燃料電池整個系統(tǒng)的效率、安全、可靠性、體積、重量都有很大的關(guān)系。另外對于多堆系統(tǒng)，它們的啟停、它們最佳出力的分配，都需要很好地進行解決。尤其是，當堆與堆之間參數(shù)出現(xiàn)差異化的時候，參數(shù)的辨識和出力分配，就顯得更加重要。
第四個問題，是混合動力拓撲與儲能技術(shù)。多個堆的燃料電池，再有多套的儲能，一起來構(gòu)成整個混合動力系統(tǒng)。而燃料電池，目前我們的思路是，100kW的單堆，都經(jīng)過DCDC并到母線。那么儲能呢？我們認為DCDC一方面占體積、占重量、占成本，還可能成為一個故障源，所以說儲量盡量把DCDC去掉，就直掛母線。
結(jié)合軌道交通對安全性要求非常高，解決能量的辦法上，軌道交通相對來說要多得多。所以為了安全，又要滿足大功率的需求，所以鈦酸鋰是首選。另外是飛輪和超級電容，相對能量密度太低，所以鈦酸鋰更有優(yōu)勢。我總結(jié)了軌道交通車載儲能的六字原則，就是“高、大、長、寬、優(yōu)、低”?！案摺本褪歉甙踩?，過充過放、針刺、拆解都不會燃燒和爆炸；“大”就是大倍率，6到10C的充放電倍率，大的時候20C、30C；“長”就是長壽命，要求2萬、3萬次以上的循環(huán)壽命，淺充淺放加上優(yōu)化的熱管理，可以做到幾十萬次的循環(huán)；“寬”就是寬溫域，零下40度到50度都能正常工作；“優(yōu)”就是優(yōu)比能，能量密度適中的優(yōu)，功率密度適中的優(yōu)；“低”就是低成本，就是用戶用得起，為用戶創(chuàng)造價值。
匯報結(jié)束，謝謝！
