燃料電池的“咽喉”攻堅戰(zhàn)

氫燃料電池具有燃料能量轉(zhuǎn)化率高、噪聲低、零排放等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、火車等交通工具。氫氣循環(huán)泵則是氫燃料電池發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件之一。

然而，如此關(guān)鍵的核心部件，我國卻要依賴進(jìn)口，國產(chǎn)化迫在眉睫。

瞄準(zhǔn)這一重大需求，近日，山東大學(xué)聯(lián)合天津大學(xué)、武漢理工大學(xué)、中船重工第七一二研究所、濰柴動力等7家科研院所和企事業(yè)單位正式啟動國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“可再生能源與氫能技術(shù)”重點(diǎn)專項“車用燃料電池噴射式氫氣再循環(huán)泵研發(fā)”項目。

“整體而言，燃料電池氫氣循環(huán)泵目前仍處于初期階段，亟須加大研發(fā)力度，爭取走上完全自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展道路。”該項目首席科學(xué)家、山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院教授賈磊在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。

公認(rèn)的難題

“如果說電堆是燃料電池的‘心臟’，那氫氣循環(huán)泵就是‘咽喉’，其主要功能是將燃料電池電堆內(nèi)未反應(yīng)氫氣循環(huán)再次利用，同時實現(xiàn)‘吹掃’產(chǎn)物水，防止‘水淹’，以提高氫氣利用效率和系統(tǒng)安全。”賈磊形象地說。

不僅如此，作為燃料電池的核心部件之一，氫氣循環(huán)泵對保證氫氣安全、改善嚴(yán)寒啟動性能、延長燃料電池壽命等，都起著重要作用。

武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室教授唐浩林向《中國科學(xué)報》介紹，氫氣循環(huán)泵的主要功能是通過連接電堆氫氣端的入口與出口，在電堆內(nèi)部建立一個較為穩(wěn)定的氫氣流量。這個循環(huán)流可以相對獨(dú)立于電堆的氫氣消耗量，藉此改善電堆內(nèi)氫氣的流量與壓力分布的均勻性，避免發(fā)生局部缺氫的情況。同時，其還有輔助排水或加濕的功能，減少氫氣吹掃排放量。

“然而，我國目前主要使用進(jìn)口機(jī)型。”唐浩林指出，由于起步較早，國外在氫氣循環(huán)泵的設(shè)計、密封、帶液操作和防爆等方面都進(jìn)行了深入的研究，儲備了較為全面的技術(shù)，對具體研發(fā)技術(shù)指標(biāo)也嚴(yán)格保密。

賈磊也表示，從技術(shù)角度，氫氣循環(huán)泵的設(shè)計和研發(fā)是一個公認(rèn)難題，涉及大量激波、湍流和非線性系統(tǒng)控制等科學(xué)問題，急需科技力量推動相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用。

而從經(jīng)濟(jì)角度，國內(nèi)采購的機(jī)械泵單套設(shè)備價格就可能超過4萬元，配套整車生命周期一般需要兩套設(shè)備系統(tǒng)。“這就意味著，一輛汽車僅在供氫循環(huán)這個子系統(tǒng)中，就要采購8萬元以上的進(jìn)口產(chǎn)品。如果實現(xiàn)技術(shù)完全自主化，成本就能降低60%以上，同時有助于解決燃料電池氫循環(huán)密封難、能耗高、壽命短等痛點(diǎn)。”賈磊說。

多種路線并行

當(dāng)前，氫能及燃料電池行業(yè)發(fā)展勢頭正猛，氫氣循環(huán)泵也呈現(xiàn)出多種路線并行的局面。

賈磊表示，當(dāng)前其技術(shù)方向分機(jī)械式循環(huán)泵和噴射泵兩種。機(jī)械式循環(huán)泵由于具有高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件，因此存在故障率高、密封差、難以實現(xiàn)無油防爆等問題，并且價格昂貴。相對而言，噴射泵的優(yōu)勢則更為顯著，其主要原理是采用儲氫壓力勢能，通過射流負(fù)壓引射未反應(yīng)氫氣，實現(xiàn)氫氣循環(huán)，無運(yùn)轉(zhuǎn)部件，可靠性高、密封良好，是燃料電池氫氣循環(huán)泵的發(fā)展趨勢。

“現(xiàn)在，國內(nèi)有很多廠家仍在研發(fā)機(jī)械式循環(huán)泵，但受限于加工技術(shù)等問題，現(xiàn)階段并不成熟，達(dá)不到產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用的程度。噴射泵的研發(fā)就更少，只有少數(shù)幾家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在做。”賈磊說。

為解決噴射泵在燃料電池應(yīng)用中遇到的問題，賈磊表示，目前采取的技術(shù)路線主要有噴射泵與機(jī)械泵結(jié)合方案、多級噴射泵引射并聯(lián)方案，以及新型多噴管集成式噴射泵方案。

但這幾種技術(shù)路線各有優(yōu)劣。機(jī)械泵的介入會對系統(tǒng)的安全可靠方面，如防爆降噪性能提出極高的要求;多級噴射泵并聯(lián)和新型集成式多噴管噴射泵也在系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略上面臨較大挑戰(zhàn);多噴管噴射泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化往往牽一發(fā)而動全身，也存在不少需要重點(diǎn)突破的難題。

數(shù)十年來，賈磊團(tuán)隊致力于噴射泵理論及相關(guān)技術(shù)的研究，建有噴射理論與應(yīng)用實驗室和噴射泵仿真、研發(fā)、測試等軟硬件平臺，在噴射泵內(nèi)部流場分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面取得了諸多成果。該團(tuán)隊針對燃料電池氫循環(huán)系統(tǒng)研制了集成度高，且可以階梯調(diào)節(jié)流量的多噴管噴射泵，與相關(guān)企業(yè)聯(lián)合研發(fā)樣機(jī)并小批量生產(chǎn)。

與此同時，唐浩林還提到渦旋式氫氣循環(huán)泵和爪式氫氣循環(huán)泵兩種技術(shù)路線，其中爪式氫氣循環(huán)泵具有無油、可靠、效率好、輸出壓力高等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，占據(jù)國內(nèi)約90%的市場份額的德國普旭公司在中國推廣應(yīng)用的就是爪式氫氣循環(huán)泵產(chǎn)品。

近年來，雖然國內(nèi)相關(guān)科研單位、氫氣循環(huán)泵企業(yè)、相關(guān)車企等，紛紛展開前期研究，以期研發(fā)高質(zhì)量的設(shè)備產(chǎn)品，但都尚未成熟，面臨市場占有率較低、知名度不足的窘境。

“一方面在于設(shè)計能力不足，另一方面缺乏具有高精度加工能力的機(jī)床，難以達(dá)到加工的技術(shù)精度要求。同時，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子腔表面處理工藝仍未過關(guān)，耐磨性和耐腐蝕性均待提升。”唐浩林坦言。

未來可期

氫是連接可再生能源與傳統(tǒng)化石能源的橋梁，是重要的清潔能源之一。世界主要發(fā)達(dá)國家日益重視氫能的發(fā)展，而發(fā)達(dá)國家在氫氣循環(huán)泵的先進(jìn)發(fā)展經(jīng)驗值得我國借鑒。

賈磊表示，諸如德國普旭、日本豐田織機(jī)、韓國現(xiàn)代等企業(yè)的產(chǎn)品，無論是爪式、羅茨式機(jī)械循環(huán)泵，還是噴射循環(huán)泵，均能滿足燃料電池氫循環(huán)應(yīng)用的需求。在可靠性、小型化設(shè)計、與燃料電池系統(tǒng)化集成、全工況系統(tǒng)控制策略等方面，它們的成功經(jīng)驗值得借鑒。

“合理的設(shè)計思想、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拈_發(fā)流程、精細(xì)化的生產(chǎn)管理、嚴(yán)格的質(zhì)量控制、科學(xué)的數(shù)據(jù)分析等，尤其值得我們學(xué)習(xí)。”唐浩林補(bǔ)充道。

當(dāng)前，國內(nèi)氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢整體向好。今年9月，財政部、工業(yè)和信息化部、科技部、國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》，對燃料電池汽車推廣應(yīng)用和氫能供應(yīng)的補(bǔ)貼辦法進(jìn)行了具體的規(guī)范說明。此外，越來越多的地方政府也相繼出臺了氫能產(chǎn)業(yè)的扶持政策。

對于氫氣循環(huán)泵未來的發(fā)展，唐浩林建議，一方面要盡快從純仿制過渡到正向開發(fā)，以滿足目前市場上多種規(guī)格燃料電池系統(tǒng)的不同需求(車用、電站型用途及其它特種需求等);另一方面要提升兩相流(氫氣與水)流體動力輸送理論研究水平，為產(chǎn)品開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。此外，還要注意全面考慮，而非只是單一細(xì)分方向的突破。

“燃料電池專用氫氣循環(huán)泵麻雀雖小卻五臟俱全，需要國家整個先進(jìn)制造工業(yè)體系、先進(jìn)材料工業(yè)體系及先進(jìn)氫能流體力學(xué)理論與仿真體系的支撐，更需要有長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略布局。”唐浩林說。

“隨著氫能應(yīng)用與燃料電池乘用車的不斷推廣，其市場規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，對氫氣循環(huán)泵也提出了更高的要求。”賈磊建議，未來要加大政策支持與引導(dǎo)，強(qiáng)化企業(yè)與研究機(jī)構(gòu)產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合，關(guān)注氫噴射泵的優(yōu)化設(shè)計、降成本及全工況下的長壽命、高可靠控制策略等核心關(guān)鍵技術(shù)。

“相信通過政府職能部門、企業(yè)、高校、科研院所等各方的通力協(xié)作，我國國產(chǎn)氫氣循環(huán)泵有望實現(xiàn)核心技術(shù)突破，市場占有率大幅提升時刻將很快到來。”賈磊說。