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燃料电池的“咽喉”攻坚战

2020-11-25 10:05:07 中国科学报   作者: 韩扬眉  

氢燃料电池具有燃料能量转化率高、噪声低、零排放等优点,可广泛应用于汽车、飞机、火车等交通工具。氢气循环泵则是氢燃料电池发动机的关键部件之一。

然而,如此关键的核心部件,我国却要依赖进口,国产化迫在眉睫。

瞄准这一重大需求,近日,山东大学联合天津大学、武汉理工大学、中船重工第七一二研究所、潍柴动力等7家科研院所和企事业单位正式启动国家重点研发计划“可再生能源与氢能技术”重点专项“车用燃料电池喷射式氢气再循环泵研发”项目。

“整体而言,燃料电池氢气循环泵目前仍处于初期阶段,亟须加大研发力度,争取走上完全自主知识产权的产业化发展道路。”该项目首席科学家、山东大学控制科学与工程学院教授贾磊在接受《中国科学报》采访时说。

公认的难题

“如果说电堆是燃料电池的‘心脏’,那氢气循环泵就是‘咽喉’,其主要功能是将燃料电池电堆内未反应氢气循环再次利用,同时实现‘吹扫’产物水,防止‘水淹’,以提高氢气利用效率和系统安全。”贾磊形象地说。

不仅如此,作为燃料电池的核心部件之一,氢气循环泵对保证氢气安全、改善严寒启动性能、延长燃料电池寿命等,都起着重要作用。

武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室教授唐浩林向《中国科学报》介绍,氢气循环泵的主要功能是通过连接电堆氢气端的入口与出口,在电堆内部建立一个较为稳定的氢气流量。这个循环流可以相对独立于电堆的氢气消耗量,藉此改善电堆内氢气的流量与压力分布的均匀性,避免发生局部缺氢的情况。同时,其还有辅助排水或加湿的功能,减少氢气吹扫排放量。

“然而,我国目前主要使用进口机型。”唐浩林指出,由于起步较早,国外在氢气循环泵的设计、密封、带液操作和防爆等方面都进行了深入的研究,储备了较为全面的技术,对具体研发技术指标也严格保密。

贾磊也表示,从技术角度,氢气循环泵的设计和研发是一个公认难题,涉及大量激波、湍流和非线性系统控制等科学问题,急需科技力量推动相关行业的应用。

而从经济角度,国内采购的机械泵单套设备价格就可能超过4万元,配套整车生命周期一般需要两套设备系统。“这就意味着,一辆汽车仅在供氢循环这个子系统中,就要采购8万元以上的进口产品。如果实现技术完全自主化,成本就能降低60%以上,同时有助于解决燃料电池氢循环密封难、能耗高、寿命短等痛点。”贾磊说。

多种路线并行

当前,氢能及燃料电池行业发展势头正猛,氢气循环泵也呈现出多种路线并行的局面。

贾磊表示,当前其技术方向分机械式循环泵和喷射泵两种。机械式循环泵由于具有高速运转部件,因此存在故障率高、密封差、难以实现无油防爆等问题,并且价格昂贵。相对而言,喷射泵的优势则更为显著,其主要原理是采用储氢压力势能,通过射流负压引射未反应氢气,实现氢气循环,无运转部件,可靠性高、密封良好,是燃料电池氢气循环泵的发展趋势。

“现在,国内有很多厂家仍在研发机械式循环泵,但受限于加工技术等问题,现阶段并不成熟,达不到产业化推广应用的程度。喷射泵的研发就更少,只有少数几家研究机构和企业在做。”贾磊说。

为解决喷射泵在燃料电池应用中遇到的问题,贾磊表示,目前采取的技术路线主要有喷射泵与机械泵结合方案、多级喷射泵引射并联方案,以及新型多喷管集成式喷射泵方案。

但这几种技术路线各有优劣。机械泵的介入会对系统的安全可靠方面,如防爆降噪性能提出极高的要求;多级喷射泵并联和新型集成式多喷管喷射泵也在系统的优化控制策略上面临较大挑战;多喷管喷射泵的内部结构精细复杂,结构设计和优化往往牵一发而动全身,也存在不少需要重点突破的难题。

数十年来,贾磊团队致力于喷射泵理论及相关技术的研究,建有喷射理论与应用实验室和喷射泵仿真、研发、测试等软硬件平台,在喷射泵内部流场分析和结构优化方面取得了诸多成果。该团队针对燃料电池氢循环系统研制了集成度高,且可以阶梯调节流量的多喷管喷射泵,与相关企业联合研发样机并小批量生产。

与此同时,唐浩林还提到涡旋式氢气循环泵和爪式氢气循环泵两种技术路线,其中爪式氢气循环泵具有无油、可靠、效率好、输出压力高等优点。当前,占据国内约90%的市场份额的德国普旭公司在中国推广应用的就是爪式氢气循环泵产品。

近年来,虽然国内相关科研单位、氢气循环泵企业、相关车企等,纷纷展开前期研究,以期研发高质量的设备产品,但都尚未成熟,面临市场占有率较低、知名度不足的窘境。

“一方面在于设计能力不足,另一方面缺乏具有高精度加工能力的机床,难以达到加工的技术精度要求。同时,转子与转子腔表面处理工艺仍未过关,耐磨性和耐腐蚀性均待提升。”唐浩林坦言。

未来可期

氢是连接可再生能源与传统化石能源的桥梁,是重要的清洁能源之一。世界主要发达国家日益重视氢能的发展,而发达国家在氢气循环泵的先进发展经验值得我国借鉴。

贾磊表示,诸如德国普旭、日本丰田织机、韩国现代等企业的产品,无论是爪式、罗茨式机械循环泵,还是喷射循环泵,均能满足燃料电池氢循环应用的需求。在可靠性、小型化设计、与燃料电池系统化集成、全工况系统控制策略等方面,它们的成功经验值得借鉴。

“合理的设计思想、严谨的开发流程、精细化的生产管理、严格的质量控制、科学的数据分析等,尤其值得我们学习。”唐浩林补充道。

当前,国内氢能与燃料电池产业发展形势整体向好。今年9月,财政部、工业和信息化部、科技部、国家发展改革委、国家能源局联合发布《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》,对燃料电池汽车推广应用和氢能供应的补贴办法进行了具体的规范说明。此外,越来越多的地方政府也相继出台了氢能产业的扶持政策。

对于氢气循环泵未来的发展,唐浩林建议,一方面要尽快从纯仿制过渡到正向开发,以满足目前市场上多种规格燃料电池系统的不同需求(车用、电站型用途及其它特种需求等);另一方面要提升两相流(氢气与水)流体动力输送理论研究水平,为产品开发提供理论基础。此外,还要注意全面考虑,而非只是单一细分方向的突破。

“燃料电池专用氢气循环泵麻雀虽小却五脏俱全,需要国家整个先进制造工业体系、先进材料工业体系及先进氢能流体力学理论与仿真体系的支撑,更需要有长远的战略布局。”唐浩林说。

“随着氢能应用与燃料电池乘用车的不断推广,其市场规模将进一步扩大,对氢气循环泵也提出了更高的要求。”贾磊建议,未来要加大政策支持与引导,强化企业与研究机构产学研用相结合,关注氢喷射泵的优化设计、降成本及全工况下的长寿命、高可靠控制策略等核心关键技术。

“相信通过政府职能部门、企业、高校、科研院所等各方的通力协作,我国国产氢气循环泵有望实现核心技术突破,市场占有率大幅提升时刻将很快到来。”贾磊说。




责任编辑: 李颖

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