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，由中國電池工業(yè)協(xié)會(huì )、電池中國網(wǎng)聯(lián)合主辦的“2021氫能與燃料電池技術(shù)及應用國際峰會(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”的報告。
以下為報告實(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這次峰會(huì )非常重視。上午書(shū)記、市長(cháng)、包括副市長(cháng)都來(lái)了非常重視。而且建議將分會(huì )的永久會(huì )址選在淄博，希望大家認識淄博選擇淄博。我講三個(gè)問(wèn)題。
首先講概念。因為講概念才能帶出第二個(gè)問(wèn)題。大家都知道學(xué)車(chē)的時(shí)候，車(chē)分為兩端一個(gè)是提供能源動(dòng)力，現在汽車(chē)分為三種，一種是傳統的化石原料，載體是油箱，通過(guò)內燃機轉換動(dòng)力輸出。再一種是新能源汽車(chē)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(guò)燃料電池再把氫能轉化為電能對外輸出，三種的能源形式，也就是說(shuō)油箱等于現在的電池，等于我們的氫氣管加上燃料電池。
另外一種是負載端，一種是機械的負載，不管能源是什么能源，最后要轉到機械負載端，第二是電磁負載還有流體負載包括液壓的負載，從負載端來(lái)看有三種負載形式，不管能源動(dòng)力端是什么樣的形式，最后都是這種負載。這是第一個(gè)概念。
第二個(gè)概念，能源流驅動(dòng)，能源流通過(guò)能源轉換裝置流到負載這一端驅動(dòng)車(chē)輛行走。還有一種是車(chē)輛制動(dòng)的時(shí)候，要把車(chē)輛的制動(dòng)能量動(dòng)能和適能要回收出來(lái)再用?；氐皆瓉?lái)的車(chē)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，應該是這樣？比如說(shuō)燃油怎么直接變成機械能驅動(dòng)機械負載，通過(guò)內燃機。再一個(gè)是燃油通過(guò)什么樣的形式，直接驅動(dòng)電負載，現在沒(méi)有直接的轉換裝置。還有一種燃油通過(guò)什么轉化裝置直接驅動(dòng)液壓負載，現在沒(méi)有直接的轉換裝置。還有是電池，電怎么驅動(dòng)這三種負載，現在電池通過(guò)電機來(lái)驅動(dòng)機械負載這個(gè)沒(méi)有問(wèn)題可以實(shí)現。但是電池通過(guò)什么東西來(lái)驅動(dòng)液壓負載沒(méi)有，得通過(guò)系統來(lái)解決，當然電纜沒(méi)有問(wèn)題。
再一個(gè)是氫能怎么直接驅動(dòng)機械負載，現在解決不了這個(gè)問(wèn)題?，F在看到燃料電池怎么把氫能轉化為電能，能不能機械能這一直是搞汽車(chē)搞內燃機人的夢(mèng)想，當然也有一些人在做，廣汽和天津大學(xué)搞出氫氣內燃機的模型這是一個(gè)。
氫到電推動(dòng)燃料電池，氫到液壓負載現在沒(méi)有，氫怎么讓他驅動(dòng)液壓負載這個(gè)問(wèn)題一直沒(méi)有解決，那么這種狀態(tài)，機械能怎么變成燃油目前現在解決不了這個(gè)問(wèn)題，機械能變成電能通過(guò)發(fā)動(dòng)機可以解決，機械能怎么變成氫能現在沒(méi)法解決。電到流也很難，電到氫可以解決。液壓能量變成機械能量這個(gè)可以解決，通過(guò)液壓能量，液壓能力怎么變成電能量，現在也解決不了，現在沒(méi)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(lái)來(lái)回回一共十八條技術(shù)路徑有一些已經(jīng)解決，大部分沒(méi)有解決，有一些可能都不能實(shí)現，這是我講的第二個(gè)概念。
第三個(gè)概念，就像劉董事長(cháng)講的，每一種能量載體包括電池，都有它的長(cháng)板短板有優(yōu)勢和劣勢關(guān)鍵是把它放在地方使用。但是從現在來(lái)看，從美國能源局給的一個(gè)各種能用變量等等，安全性受命等等，現在沒(méi)有一種能源裝置能夠滿(mǎn)足任意能源適用場(chǎng)景。實(shí)際上我們很多應用場(chǎng)景現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(wèn)題？就是搞能源負荷不同的能源形式進(jìn)行符合來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，不同的動(dòng)力集成解決這個(gè)問(wèn)題。
用幾個(gè)概念再分別介紹一下這幾個(gè)新的途徑?，F在大家可以看，我們現在這是幾個(gè)常規用的能量轉化系統，燃油到內燃機，液壓能通過(guò)液壓泵就可以解決，電動(dòng)能通過(guò)電能燃料電池可以解決，氫燃料通過(guò)燃料電池也能解決，但是它汽車(chē)上光有燃料電池不，現在燃料電池不能回收能量怎么辦？給大家談?wù)勥@幾個(gè)問(wèn)題。
氫燃料通過(guò)氫內燃機通過(guò)燃料電池轉換，現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荷使用。比如說(shuō)飛輪內部鑲嵌了發(fā)動(dòng)機，就可以變成飛輪電池或者飛輪液壓機，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(chē)輛的能量怎么辦？就讓他倆負荷來(lái)解決電池能量不大，而燃料電池功率密度又不太高的問(wèn)題，讓他負荷解決這是一點(diǎn)。
第二再生燃料電池暨也就是說(shuō)把現在的燃料電池技術(shù)和電解氫和電解水的技術(shù)結合使用，現在這個(gè)技術(shù)在美國已經(jīng)有。我國還沒(méi)有看到這種產(chǎn)品，現在正在探索，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)現氫到機械能直接轉換的技術(shù)，一直有人探索，沒(méi)有做成成品，前兩天我們也做這方面的研究，現在來(lái)看廣汽和天津大學(xué)把這臺內燃機搞出來(lái)，實(shí)現了氫能到機械能的轉化，效率不低44%，有一個(gè)非常好的特點(diǎn)，就是對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氫有要求，還得對氫進(jìn)行提純。
這個(gè)是一個(gè)氫燃燒室，下面帶著(zhù)活塞，實(shí)現了氫能到液壓能的直接轉換。還有一種上面是氫燃料室下面帶一個(gè)發(fā)動(dòng)機實(shí)現了氫能到電能另外一種轉換形式，除去燃料電池之外。這兩種方式，就是用了傳統的內燃機的一些技術(shù)，我去濰柴驗收項目，濰柴現在搞了一個(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(wèn)題，濰柴的未來(lái)路在何方？能不能和氫能結合？他現在有擔心，說(shuō)濰柴到2030年還可以，依靠柴油機還可以，如果不和氫氣、氫能結合，恐怕將來(lái)很危險，這是他們的路徑之一，因為整個(gè)內燃機的產(chǎn)業(yè)鏈太大，不能完全丟棄掉，所以就把燃氣發(fā)動(dòng)機內燃機改造成氫氣發(fā)動(dòng)機，這是一個(gè)。再一個(gè)就是實(shí)現電能和液壓能直接轉換的兩個(gè)裝置，現在機液能量裝換沒(méi)有，現在從電能到液壓能需要什么，需要電帶一個(gè)電機，來(lái)完全相互的轉換。我們在國家基金委的支持下，搞了兩個(gè)東西，一個(gè)是直線(xiàn)的電動(dòng)液壓泵，中間是電機，兩邊是注冊泵，反正是哪個(gè)主動(dòng)，你電機主動(dòng)就是電機是源動(dòng)端，這樣就實(shí)現了電極和液壓能效率的轉換，這是單體泵，也相當于單體泵，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換這么一個(gè)裝置。過(guò)去不行，電能和機械能可以相互轉換，液壓能和機械能不能相互轉換。
還有一個(gè)也是國家支持的項目，外面是內燃的電機里面是電泵他們結合在一起，這一個(gè)也實(shí)現了電能機械能、液壓能這三者之間的轉換，現在沒(méi)有這個(gè)東西，在國家基金委的指導下開(kāi)展這方面的工作。
再一個(gè)是電能耦合轉換系統，汽車(chē)都有液壓電系統沒(méi)有，他們叫電控，電子插播器那是電控，沒(méi)有這個(gè)東西，我們怎么辦呢？或者車(chē)載你是氫的話(huà)，那么就通過(guò)這個(gè)東西，來(lái)進(jìn)行機電液的協(xié)調分配，他完成協(xié)調分配是機械液壓電都處在一個(gè)最好的工作區域，就相當于我們的汽車(chē)的操作器這是一個(gè)。
還有最后一個(gè)，我們天然氣因為天然氣泵壓力也很大過(guò)去開(kāi)發(fā)這種產(chǎn)品，因為用氣的時(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(wèn)題，氫能余壓發(fā)電或調壓發(fā)電系統，這一塊巨大的能量就浪費掉了，這是一個(gè)想法還沒(méi)有開(kāi)展做。
總結一下，1、從能源供給側來(lái)看發(fā)展方向是由化石原料加上傳統的電力供給向綠電+綠氫互供給轉型。車(chē)載能源目前依然、美氣、電能氫能并存，以燃油為主，未來(lái)向綠電、綠氫方向轉型。
2、由于車(chē)載能源的轉型，根據車(chē)輛負載類(lèi)型及雙碳目標要求，必須創(chuàng )新能量轉換技術(shù)路徑，本報告分享了氫能、電能、機械能及液壓能不同能源形式間相互轉換的九個(gè)新的路徑，希望引起大家的關(guān)注。
3、能源復合與動(dòng)力繼承是克服單一能云與動(dòng)力形成短板的好方法，能夠實(shí)現相互間戶(hù)部和耦合，保障系統的高效、高質(zhì)量、高安全性運行。
4、車(chē)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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