張鐵柱：氫能、電能利用的幾個(gè)新途徑
圖為山東理工大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)名譽(yù)主任張鐵柱做主題演講
日前，由中國(guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì)、電池中國(guó)網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2021氫能與燃料電池技術(shù)及應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)”在淄博舉行。山東理工大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)名譽(yù)主任張鐵柱做了題為“氫能、電能利用的幾個(gè)新途徑”的報(bào)告。
以下為報(bào)告實(shí)錄：
張鐵柱：謝謝大家，這一次會(huì)議利用兩天時(shí)間，半了三件事一個(gè)是中國(guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì)上午，昨天下午成立氫能與燃料電池分會(huì)，今天利用一天的時(shí)間，搞分會(huì)的學(xué)術(shù)峰會(huì)效率很高，可以看到淄博市委市政府對(duì)這次峰會(huì)非常重視。上午書記、市長(zhǎng)、包括副市長(zhǎng)都來了非常重視。而且建議將分會(huì)的永久會(huì)址選在淄博，希望大家認(rèn)識(shí)淄博選擇淄博。我講三個(gè)問題。
首先講概念。因?yàn)橹v概念才能帶出第二個(gè)問題。大家都知道學(xué)車的時(shí)候，車分為兩端一個(gè)是提供能源動(dòng)力，現(xiàn)在汽車分為三種，一種是傳統(tǒng)的化石原料，載體是油箱，通過內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)換動(dòng)力輸出。再一種是新能源汽車電池以電池為主，載體就是電池。
還有一種就是新型能源氫能，通過燃料電池再把氫能轉(zhuǎn)化為電能對(duì)外輸出，三種的能源形式，也就是說油箱等于現(xiàn)在的電池，等于我們的氫氣管加上燃料電池。
另外一種是負(fù)載端，一種是機(jī)械的負(fù)載，不管能源是什么能源，最后要轉(zhuǎn)到機(jī)械負(fù)載端，第二是電磁負(fù)載還有流體負(fù)載包括液壓的負(fù)載，從負(fù)載端來看有三種負(fù)載形式，不管能源動(dòng)力端是什么樣的形式，最后都是這種負(fù)載。這是第一個(gè)概念。
第二個(gè)概念，能源流驅(qū)動(dòng)，能源流通過能源轉(zhuǎn)換裝置流到負(fù)載這一端驅(qū)動(dòng)車輛行走。還有一種是車輛制動(dòng)的時(shí)候，要把車輛的制動(dòng)能量動(dòng)能和適能要回收出來再用。回到原來的車載能源載體上回到油箱和電池里面，回到氫罐里面去，這兩向流動(dòng)有多少條路徑，應(yīng)該是這樣？比如說燃油怎么直接變成機(jī)械能驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載，通過內(nèi)燃機(jī)。再一個(gè)是燃油通過什么樣的形式，直接驅(qū)動(dòng)電負(fù)載，現(xiàn)在沒有直接的轉(zhuǎn)換裝置。還有一種燃油通過什么轉(zhuǎn)化裝置直接驅(qū)動(dòng)液壓負(fù)載，現(xiàn)在沒有直接的轉(zhuǎn)換裝置。還有是電池，電怎么驅(qū)動(dòng)這三種負(fù)載，現(xiàn)在電池通過電機(jī)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載這個(gè)沒有問題可以實(shí)現(xiàn)。但是電池通過什么東西來驅(qū)動(dòng)液壓負(fù)載沒有，得通過系統(tǒng)來解決，當(dāng)然電纜沒有問題。
再一個(gè)是氫能怎么直接驅(qū)動(dòng)機(jī)械負(fù)載，現(xiàn)在解決不了這個(gè)問題。現(xiàn)在看到燃料電池怎么把氫能轉(zhuǎn)化為電能，能不能機(jī)械能這一直是搞汽車搞內(nèi)燃機(jī)人的夢(mèng)想，當(dāng)然也有一些人在做，廣汽和天津大學(xué)搞出氫氣內(nèi)燃機(jī)的模型這是一個(gè)。
氫到電推動(dòng)燃料電池，氫到液壓負(fù)載現(xiàn)在沒有，氫怎么讓他驅(qū)動(dòng)液壓負(fù)載這個(gè)問題一直沒有解決，那么這種狀態(tài)，機(jī)械能怎么變成燃油目前現(xiàn)在解決不了這個(gè)問題，機(jī)械能變成電能通過發(fā)動(dòng)機(jī)可以解決，機(jī)械能怎么變成氫能現(xiàn)在沒法解決。電到流也很難，電到氫可以解決。液壓能量變成機(jī)械能量這個(gè)可以解決，通過液壓能量，液壓能力怎么變成電能量，現(xiàn)在也解決不了，現(xiàn)在沒有實(shí)際的解決方案。那么液壓能量怎么變成氫能解決不了？所以來來回回一共十八條技術(shù)路徑有一些已經(jīng)解決，大部分沒有解決，有一些可能都不能實(shí)現(xiàn)，這是我講的第二個(gè)概念。
第三個(gè)概念，就像劉董事長(zhǎng)講的，每一種能量載體包括電池，都有它的長(zhǎng)板短板有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)關(guān)鍵是把它放在地方使用。但是從現(xiàn)在來看，從美國(guó)能源局給的一個(gè)各種能用變量等等，安全性受命等等，現(xiàn)在沒有一種能源裝置能夠滿足任意能源適用場(chǎng)景。實(shí)際上我們很多應(yīng)用場(chǎng)景現(xiàn)在也選擇不到合適的能源裝置，包括電池燃料電池油箱等等，選不到一種合適的液壓裝置。怎么解決這個(gè)問題？就是搞能源負(fù)荷不同的能源形式進(jìn)行符合來解決這個(gè)問題，不同的動(dòng)力集成解決這個(gè)問題。
用幾個(gè)概念再分別介紹一下這幾個(gè)新的途徑。現(xiàn)在大家可以看，我們現(xiàn)在這是幾個(gè)常規(guī)用的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，燃油到內(nèi)燃機(jī)，液壓能通過液壓泵就可以解決，電動(dòng)能通過電能燃料電池可以解決，氫燃料通過燃料電池也能解決，但是它汽車上光有燃料電池不，現(xiàn)在燃料電池不能回收能量怎么辦？給大家談?wù)勥@幾個(gè)問題。
氫燃料通過氫內(nèi)燃機(jī)通過燃料電池轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在有一塊飛輪的裝置，他就適合于能量密度比較大在一塊兒負(fù)荷使用。比如說飛輪內(nèi)部鑲嵌了發(fā)動(dòng)機(jī)，就可以變成飛輪電池或者飛輪液壓機(jī)，再一個(gè)就是液輪飛輪，這個(gè)部件功率特別高。
它的功率密度很高，我的燃料電池功率密度不如他高，能量也很大，又不能回收車輛的能量怎么辦？就讓他倆負(fù)荷來解決電池能量不大，而燃料電池功率密度又不太高的問題，讓他負(fù)荷解決這是一點(diǎn)。
第二再生燃料電池暨也就是說把現(xiàn)在的燃料電池技術(shù)和電解氫和電解水的技術(shù)結(jié)合使用，現(xiàn)在這個(gè)技術(shù)在美國(guó)已經(jīng)有。我國(guó)還沒有看到這種產(chǎn)品，現(xiàn)在正在探索，把這兩種技術(shù)給集成，把燃料電池和電解水技術(shù)給他集成，讓它正反向都可以使用，電可以變成氫，氫可以變成電，這是一個(gè)。
還有一個(gè)是實(shí)現(xiàn)氫到機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換的技術(shù)，一直有人探索，沒有做成成品，前兩天我們也做這方面的研究，現(xiàn)在來看廣汽和天津大學(xué)把這臺(tái)內(nèi)燃機(jī)搞出來，實(shí)現(xiàn)了氫能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，效率不低44%，有一個(gè)非常好的特點(diǎn)，就是對(duì)氫的濃度就可以富產(chǎn)氫就可以使用，不像燃料電池一樣對(duì)氫有要求，還得對(duì)氫進(jìn)行提純。
這個(gè)是一個(gè)氫燃燒室，下面帶著活塞，實(shí)現(xiàn)了氫能到液壓能的直接轉(zhuǎn)換。還有一種上面是氫燃料室下面帶一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了氫能到電能另外一種轉(zhuǎn)換形式，除去燃料電池之外。這兩種方式，就是用了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)的一些技術(shù)，我去濰柴驗(yàn)收項(xiàng)目，濰柴現(xiàn)在搞了一個(gè)燃料電池協(xié)同創(chuàng)新中心，山東在這一塊布局比較早，但是濰柴提出一個(gè)問題，濰柴的未來路在何方？能不能和氫能結(jié)合？他現(xiàn)在有擔(dān)心，說濰柴到2030年還可以，依靠柴油機(jī)還可以，如果不和氫氣、氫能結(jié)合，恐怕將來很危險(xiǎn)，這是他們的路徑之一，因?yàn)檎麄€(gè)內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)業(yè)鏈太大，不能完全丟棄掉，所以就把燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃機(jī)改造成氫氣發(fā)動(dòng)機(jī)，這是一個(gè)。再一個(gè)就是實(shí)現(xiàn)電能和液壓能直接轉(zhuǎn)換的兩個(gè)裝置，現(xiàn)在機(jī)液能量裝換沒有，現(xiàn)在從電能到液壓能需要什么，需要電帶一個(gè)電機(jī)，來完全相互的轉(zhuǎn)換。我們?cè)趪?guó)家基金委的支持下，搞了兩個(gè)東西，一個(gè)是直線的電動(dòng)液壓泵，中間是電機(jī)，兩邊是注冊(cè)泵，反正是哪個(gè)主動(dòng)，你電機(jī)主動(dòng)就是電機(jī)是源動(dòng)端，這樣就實(shí)現(xiàn)了電極和液壓能效率的轉(zhuǎn)換，這是單體泵，也相當(dāng)于單體泵，就能形成電動(dòng)泵組，就形成了一個(gè)電能和液壓能之間的相互轉(zhuǎn)換這么一個(gè)裝置。過去不行，電能和機(jī)械能可以相互轉(zhuǎn)換，液壓能和機(jī)械能不能相互轉(zhuǎn)換。
還有一個(gè)也是國(guó)家支持的項(xiàng)目，外面是內(nèi)燃的電機(jī)里面是電泵他們結(jié)合在一起，這一個(gè)也實(shí)現(xiàn)了電能機(jī)械能、液壓能這三者之間的轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在沒有這個(gè)東西，在國(guó)家基金委的指導(dǎo)下開展這方面的工作。
再一個(gè)是電能耦合轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，汽車都有液壓電系統(tǒng)沒有，他們叫電控，電子插播器那是電控，沒有這個(gè)東西，我們?cè)趺崔k呢？或者車載你是氫的話，那么就通過這個(gè)東西，來進(jìn)行機(jī)電液的協(xié)調(diào)分配，他完成協(xié)調(diào)分配是機(jī)械液壓電都處在一個(gè)最好的工作區(qū)域，就相當(dāng)于我們的汽車的操作器這是一個(gè)。
還有最后一個(gè)，我們天然氣因?yàn)樘烊粴獗脡毫σ埠艽筮^去開發(fā)這種產(chǎn)品，因?yàn)橛脷獾臅r(shí)候，用天然氣的時(shí)候壓力很低，氫氣管用的氫氣很高，天然氣也存在這個(gè)問題，氫能余壓發(fā)電或調(diào)壓發(fā)電系統(tǒng)，這一塊巨大的能量就浪費(fèi)掉了，這是一個(gè)想法還沒有開展做。
總結(jié)一下，1、從能源供給側(cè)來看發(fā)展方向是由化石原料加上傳統(tǒng)的電力供給向綠電+綠氫互供給轉(zhuǎn)型。車載能源目前依然、美氣、電能氫能并存，以燃油為主，未來向綠電、綠氫方向轉(zhuǎn)型。
2、由于車載能源的轉(zhuǎn)型，根據(jù)車輛負(fù)載類型及雙碳目標(biāo)要求，必須創(chuàng)新能量轉(zhuǎn)換技術(shù)路徑，本報(bào)告分享了氫能、電能、機(jī)械能及液壓能不同能源形式間相互轉(zhuǎn)換的九個(gè)新的路徑，希望引起大家的關(guān)注。
3、能源復(fù)合與動(dòng)力繼承是克服單一能云與動(dòng)力形成短板的好方法，能夠?qū)崿F(xiàn)相互間戶部和耦合，保障系統(tǒng)的高效、高質(zhì)量、高安全性運(yùn)行。
4、車載高壓氫氣罐能量的利用是一條重要的氫能路徑。
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