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清华大学在燃料电池领域的研究

发布时间: 2014-04-04
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清华大学燃料电池客车

3月4日下午,中关村储能产业技术联盟(CNESA)第12期储能产业公益沙龙在中国科学院工程热物理研究所举行。会上,主讲嘉宾清华大学汽车工程系裴普成教授就燃料电池技术及燃料电池应用问题与大家展开探讨。作为清华大学教授,裴普成还为现场嘉宾展示了学校在燃料电池研究领域的科技成果。

清华大学燃料电池汽车研究概况

据裴普成教授介绍,清华大学对燃料电池车的研究从1999年就已经开始。当时,清华大学曾安装了一个5千瓦的电堆在一个小平台车上。2001年,清华大学用15千瓦电堆装配了一辆中巴车。2001年,国家科技部立项开展燃料电池客车和燃料电池轿车计划,清华大学被确定为燃料电池客车的牵头单位,同济大学负责牵头做燃料电池轿车。

2002年12月30日晚,清华大学的50千瓦燃料电池客车从实验室开出来。这是中国第一辆燃料电池客车,也第一台氢空型燃料电池系统装车,是真正的燃料电池发动机汽车。在之前清华大学的燃料电池车上,都是用氧气瓶供气,燃料电池使用的是纯氧。

2002年之后,清华大学曾逐年提升对燃料电池系统功率的要求,最高到130千瓦。研究得知,燃料电池的功率并非越大越好。比如安装一辆12到13吨的汽车,几十千瓦的燃料电池就已经足够使用,因为还有蓄电池组的储能。现在,清华大学做的燃料电池客车基本使用的燃料电池功率在50到60千瓦。

2008年,清华大学在北京奥运会期间投入了三辆燃料电池公交车,与2007年戴克公司试运行的汽车走同样路线、停同样站台,并同样运行一年时间,以此对燃料电池的性能进行考核。与戴克的三辆车相比,清华大学燃料电池汽车的氢气消耗量明显低很多。戴克的汽车百公里耗氢量约为百公里16公斤,而清华把汽车的耗氢量降至7到8公斤。此后,清华大学又为2010年上海世博会提供三辆公交车,并运行半年;同年,为新加坡首届国际青奥会提供一辆燃料电池公交车,并运行半年。它们经历春夏秋冬、高温多雨的考验,状态良好。

通过比对戴克同一批次的汽车,在北京运行的3辆车大概运行800到900个小时就不行了,在欧洲运行的使用寿命要好得多。在戴克的总结报告会上,令人印象深刻的结论是北京的空气质量太差。因此中国燃料电池汽车的发展,环境因素增加了更大挑战,也证明发展燃料电池车更有必要。

与国外燃料电池相比,我国燃料电池堆内部一致性较差。国外先进燃料电池堆都是生产线上下来的,一致性较好。而国内的生产环节存在很多人为因素,导致结果不好控制。为提高电堆一致性,延长燃料电池寿命,裴普成教授领导的研究组开展了如下工作。

双极板批量制造技术

清华在FC耐久性方面做了很多努力,研究了双极板批量制造技术。过去制作双极板使用雕刻技术,购买板子然后雕刻加工,通常一张板子的原材料需要300元,加工费400元,总成本约700元,一个双极板需要两张板。国外使用冲压技术生产一个双极板仅需要6美元。清华大学曾设计出模压柔性石墨双极板、冲压金属双极板。一方面可以降低成本,另一方面能保障双极板的一致性。

此外,研究发现,电堆故障往往因为积水,与积水和加工缺陷有关,譬如中间换刀会在加工的地方留下痕迹,这个地方就容易形成积水。

燃料电池寿命评价技术

清华大学试验证明驾驶循环下燃料电池性能衰减率可用四个工况下的衰减率叠加表示,基于数学推导给出了基于实验室测试和道路运行工况谱的寿命预测公式。总试验时间为200小时左右,然后据此推测出燃料电池在车上的使用寿命。这项工作的优势是,在实验室就可以对电池寿命进行预测和评价,在缺少燃料电池车的标准驾驶循环情况下,可预测燃料电池在各种驾驶循环下的使用寿命。

现在,燃料电池汽车还没有标准的驾驶循环。每辆车装多大功率的电池,其动力构型是多装燃料电池还是多装蓄电池,没有一定的标准。这也意味着不同配型的燃料电池在车上的输出性能会不同,工况变化和变化频率幅度都会不一样。另外,同样一辆车在不同时段、不同路段运行,驾驶循环也会不同。清华大学通过在实验室把燃料电池在各个工况下的衰减率计算出来,然后重新组合出不同的驾驶循环。并计算不同驾驶循环下燃料电池的寿命是多少。

通过测试,清华大学的研究人员发现这种预测结果相当不错。用同样的燃料电池装在车上计算衰减率和使用寿命,在一辆车上能跑2600小时,装到另一辆车上跑1900小时。当然在实际测试中,这些车都没有跑那么长时间,因为只试运行了一年,大约跑了1200小时就结束了。但是预测的性能衰减率与实际情况非常吻合。

动态闭环调控技术 防止燃料电池水淹

清华大学的另一项研究是用动态闭环调控技术预防电堆故障,这是一种防止水淹的技术。

早些时候,清华大学的研究人员发现氢气压力降可以作为燃料电池水淹的判定条件,并研究出了压力降精确计算公式。在正常情况下,实测压力降与公式吻合,当出现水淹时,实测值明显偏离公式计算值。

这个公式还可以用于燃料电池双极板流场设计中。过去设计燃料电池流场所用的压力降经验公式,与实际燃料电池工作中的压力降差异较大,因为它没有电流参数。

有了这个公式以后,就可以判断出什么时候出现水淹现象,如果等压力降到降到燃料电池已经被水堵死,再去解决故障就很难了。

清华大学通过试验又发现燃料电池从出现水淹,到被堵死之前,压力降会有很明显的平台现象,而且持续时间很长。通过给燃料电池设置控制窗,可以在发现特定点的时候赶快进行处理,不等它进入平台就可以进行调控,很好地防止燃料电池水淹。

基于这样的理念,清华大学把动态闭环调控技术做成了一个专业软件和控制系统,可以实现燃料电池的自动控制,防止燃料电池出现水淹。在实验室的测试过程中,曾人为创造水淹情况,通过运用这个系统燃料电池很快就自动恢复到正常了。

同步检测燃料电池堆多片膜电极的多参数

过去,只能用线性电位扫描法和循环伏安法分别检测单片膜电极的各参数,但是无法对电堆进行测试。如果对电堆使用循环伏安法,很难保证燃料电池的电压呈线性上升,因为每节电流都不一致,会使得电压升高率不一样。

为了解决这个问题,清华大学研究出一套新技术——恒流充电解析法。在这个堆上每节电流都一样,通过调制后,输出来的电压会带有各节燃料电池膜电极的差异信息,通过这样的差异就可以解析出各片膜电极的内在差异,得出相应的参数,包括催化剂活性面积、氢渗透电流、双电层电容和阻抗。能一次把电堆每一节燃料电池的这四个参数都得到。测出来的催化剂活性面积,在不同充电电流下的波动幅度,比用循环伏安法在不同扫描速率下的波动范围小得多,这种方法有明显的优势。可用于对电堆一致性研究、组堆环节的膜电极筛选、检查电堆内是否有膜穿孔等。

高性能锌空燃料电池

2013年12月29日,美国著名网站刊文“清华团队开发出高功率密度锌空燃料电池堆”,许多网站纷纷转载。

为什么国外对清华的进展这么关注?锌空燃料电池有许多优点,但是国际上做出来的锌空燃料电池功率密度一般都在每平方厘米100毫瓦以内,加拿大国家研究院用特种催化剂的情况下最高达到每平方厘米230毫瓦,而清华大学的研究团队把这一数据提高到每平方厘米435毫瓦。研究成果发布后,最近又有同学把数值提升到450,可以说具有突破性。

以前清华大学的燃料电池公交车所使用的氢空燃料电池,功率密度是每平方厘米360毫瓦左右,而现在锌空燃料电池的功率密度达到每平方厘米435毫瓦,说明它在未来有可能作为车用燃料电池。此外,清华大学在探索研究高性能长寿命的锌空电池。

文章来源: 中国网
责任编辑: 康开心
 
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