在上海同濟(jì)大學(xué)和德國斯圖加特大學(xué)聯(lián)合舉辦的第二屆上海-斯圖加特汽車及動(dòng)力技術(shù)國際研討會上，來自同濟(jì)大學(xué)的張新豐博士分享了有關(guān)燃料動(dòng)力電池的學(xué)術(shù)見解。

2017年十月二十七日，在上海同濟(jì)大學(xué)和德國斯圖加特大學(xué)聯(lián)合舉辦的第二屆上海-斯圖加特汽車及動(dòng)力技術(shù)國際研討會上，來自同濟(jì)大學(xué)的張新豐博士分享了有關(guān)燃料動(dòng)力電池的學(xué)術(shù)見解。會后，汽車氪對張新豐博士進(jìn)行了專訪：汽車氪：同濟(jì)大學(xué)從哪一年開始研究的燃料動(dòng)力電池？

張新豐：同濟(jì)大學(xué)是最早研究氫燃料動(dòng)力電池的研究機(jī)構(gòu)之一，我們最早在1998年開始了燃料動(dòng)力電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)的研究，從最早期側(cè)重于燃料動(dòng)力電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)，逐步過渡到燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)集成，及擴(kuò)展到輔助系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的開發(fā)，目前在燃料動(dòng)力電池電堆建模、系統(tǒng)集成和控制、測試驗(yàn)證方法和工具鏈等方面均有研究。在電堆材料方面，膜電極、催化劑、雙極板等均取得了一定的成果。

汽車氪：您參和編寫了《氫燃料動(dòng)力電池汽車發(fā)展技術(shù)路線圖》，談一談你對我國發(fā)展燃料動(dòng)力電池汽車的看法？

張新豐：燃料動(dòng)力電池汽車相關(guān)的重要課題已經(jīng)逐步地從政府主導(dǎo)的攻關(guān)階段進(jìn)入到工程化、產(chǎn)業(yè)化及商業(yè)化階段，經(jīng)過近20年的探索，產(chǎn)業(yè)界逐步形成了兩種發(fā)展思路。第一種思路，要求政府繼續(xù)組織攻關(guān)，突破燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，在功率密度、效率、耐久性、環(huán)境適應(yīng)性等性能方面取得至少和內(nèi)燃機(jī)相當(dāng)?shù)乃?；然后再逐步推廣應(yīng)用。第二種思路，要求政府供應(yīng)適當(dāng)?shù)拇碳ふ撸氏仍谀承╊I(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)燃料動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化，不要拘泥于完全自主開發(fā)，（黑貓白貓都可以，讓大家看到這個(gè)產(chǎn)業(yè)有利可圖），然后吸引民間資本，對創(chuàng)業(yè)公司進(jìn)行投資，邊產(chǎn)業(yè)化邊發(fā)展，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)發(fā)展。兩種發(fā)展思路都有道理、都在走。這次公布的國家重點(diǎn)項(xiàng)目指南來看，也能看出這點(diǎn)。

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汽車氪：氫燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)周期如何？

張新豐：燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該有自己的開發(fā)節(jié)奏，重要有以下原因：

1）燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)周期更長。從MEA到電堆，從電堆到發(fā)動(dòng)機(jī)，從發(fā)動(dòng)機(jī)到整車動(dòng)力系統(tǒng)，創(chuàng)新鏈也很完整，但是我們忽略了每個(gè)環(huán)節(jié)指標(biāo)的提升所要花費(fèi)的時(shí)間是不相同的。總的來說，膜電極材料體系的驗(yàn)證成熟要比電堆集成慢；電堆集成要比發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)慢；燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)周期要比整車動(dòng)力系統(tǒng)慢，慢很多。2）相較于整車零部件來說，燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件和產(chǎn)業(yè)鏈更不完整，往往電堆找不到合適的壓縮機(jī)，找不到合適的加濕器；目前，小型專用壓縮機(jī)是制約高功率密度燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)的重要瓶頸。3）燃料動(dòng)力電池電堆和輔助系統(tǒng)的耦合要比發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)的耦合更加緊密，前者涉及到燃料、供氣、冷卻、電力及控制信號方面的協(xié)調(diào)；后者重要是功率的動(dòng)態(tài)匹配和調(diào)控。因此燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)作為一個(gè)產(chǎn)品形式，具有一定的完整性。

汽車氪：氫燃料動(dòng)力電池的開發(fā)難度在哪里？

張新豐：一方面：燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)是目前該領(lǐng)域最復(fù)雜的、多學(xué)科集成的動(dòng)力系統(tǒng)之一，涉及材料學(xué)、電化學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、控制理論等眾多領(lǐng)域，要在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和高載荷的嚴(yán)酷條件下工作，并滿足重量輕、可靠性高、安全性好、壽命長、高效率等眾多十分苛刻而又互相矛盾的要求。另一方面：燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，我個(gè)人認(rèn)為，不亞于發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，只是努力的方向不相同，低成本、高可靠性（ECU級別50-100ppm,動(dòng)力系統(tǒng)0.1%）

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汽車氪：您認(rèn)為提高氫燃料功能密度的技術(shù)難點(diǎn)在哪里？

張新豐：提高燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)功率密度要從以下幾個(gè)方面入手：1）提高電堆的工作電流密度；依賴膜電極材料的改善，減小活化/歐姆/擴(kuò)散損失，要采用更薄的離子交換膜，有更活性的催化劑，透氣性更好、疏水性更好的擴(kuò)散層，優(yōu)化流場設(shè)計(jì)等。2）減小電堆和系統(tǒng)的體積，比如采用更薄的雙極板，更小的空壓機(jī)等輔助系統(tǒng)零部件，以及集成設(shè)計(jì)等；3）供應(yīng)相應(yīng)工作電流密度下所需的陰極氣流，也是就是要較大壓比和較大流量的空氣。以上這些方法均具有很大的挑戰(zhàn)。

汽車氪：氫燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)周期是怎么樣的？

張新豐：燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該有自己的開發(fā)節(jié)奏，重要有以下原因：

1）燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)周期更長。從MEA到電堆，從電堆到發(fā)動(dòng)機(jī)，從發(fā)動(dòng)機(jī)到整車動(dòng)力系統(tǒng)，創(chuàng)新鏈也很完整，但是，我們忽略了每個(gè)環(huán)節(jié)指標(biāo)的提升，所要花費(fèi)的時(shí)間是不相同的。總的來說，膜電極材料體系的驗(yàn)證成熟要比電堆集成慢；電堆集成要比發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)慢；燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)周期要比整車動(dòng)力系統(tǒng)慢，慢很多。2）相較于整車零部件來說，燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件和產(chǎn)業(yè)鏈更不完整，往往電堆找不到合適的壓縮機(jī)，找不到合適的加濕器；小型專用壓縮機(jī)目前是制約高功率密度燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)的重要瓶頸。3）燃料動(dòng)力電池電堆和輔助系統(tǒng)的耦合要比發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)的耦合更加緊密，前者涉及到燃料、供氣、冷卻、電力及控制信號方面的協(xié)調(diào)；后者重要是功率的動(dòng)態(tài)匹配和調(diào)控。因此燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)作為一個(gè)產(chǎn)品形式，具有一定的完整性。

汽車氪：燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)有什么性能要綜合考慮？

張新豐：剛剛我說到，燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)的難度很大。一方面，他要考慮的性能方面非常多，有動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性、適應(yīng)性、可靠性、還有動(dòng)態(tài)響應(yīng)、功率品質(zhì)、安全性、環(huán)境友好等等；另一方面不同性能之間形成相互制約/相互折中。和LudwigJoorison交流時(shí)，談到日本某汽車公司大功率燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)，我們都在想，為何功率要達(dá)到115kW？后備功率？是不是以成本換取耐久性、換取經(jīng)濟(jì)性？等等，燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的策略，指標(biāo)的調(diào)整和優(yōu)化方法是公司的核心機(jī)密。為了使得各種指標(biāo)具有可比性，必須采用標(biāo)準(zhǔn)的測試方法，但更重要的是開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的測試工具、建立標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測試實(shí)驗(yàn)室。

汽車氪：那如何加快燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)節(jié)奏？

張新豐：國內(nèi)燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)，基本沒有國外的技術(shù)來源，引進(jìn)消化吸收的可能性比較小，只能走正向開發(fā)的道路。開發(fā)過程中所需的測試方法、設(shè)備及工具也很少。特別強(qiáng)調(diào)，利用先進(jìn)的測試?yán)砟詈蜏y試思維，建立從零部件驗(yàn)證、子系統(tǒng)靜態(tài)匹配，動(dòng)態(tài)模型和算法測試驗(yàn)證、系統(tǒng)集成驗(yàn)證、發(fā)動(dòng)機(jī)性能評價(jià)、道路環(huán)境下技術(shù)驗(yàn)證的完整測試工具鏈和驗(yàn)證體系。張新豐，承擔(dān)及參和科技部電動(dòng)汽車專項(xiàng)、重大儀器專項(xiàng)等多項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，申請/授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)，出版教材和著作2部《質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池建模和Matlab仿真》《汽車電子控制系統(tǒng)仿真和設(shè)計(jì)》，有8年燃料動(dòng)力電池系統(tǒng)集成相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，參和編寫《我國節(jié)能和新能源汽車技術(shù)路線圖氫燃料動(dòng)力電池汽車發(fā)展技術(shù)路線圖》