中国储能网讯：5月24日，由中国化学与物理电源行业协会主办，200余家机构共同支持的第十一届中国国际储能大会在杭州洲际酒店召开。此次大会主题是“坚守储能安全底线，推动产业创新发展”。来自行业主管机构、国内外驻华机构、科研单位、电网企业、发电企业、系统集成商、金融机构等不同领域的718家产业链企业，1952位嘉宾参加了本届大会，其中88家企业展示了储能产品。
在5月26日下午的“氢储能与燃料电池”专场，西南交通大学电气工程学院戴朝华教授分享了主题报告《氢燃料电池动车组混合动力若干关键问题》。经演讲人本人授权同意，小编整理了演讲速记，并将速记内容分享如下：
戴朝华：各位专家、各位领导，大家下午好！
我的汇报主题是《氢燃料电池动车组混合动力系统的若干关键问题》。针对动车组这一特殊对象，燃料电池混合动力系统面临若干个关键问题，我这里主要跟大家汇报四个问题，谈谈我个人的看法和想法，可能有一些思路或者数据，有不妥的地方，请大家批评指正。
首先给大家报告一下我们团队。我们是来自于西南交通大学轨道交通新能源团队，我们主要是围绕轨道交通新能源方向做了一些研究工作。第一个工作就是氢能轨道交通，我们是2008年开始从事轨道交通燃料电池的研究，我们研制成功了国内首辆燃料电池调车机车，还有世界首列燃料电池混合动力100%低地板有轨电车，还有2021年刚出来的中国首台燃料电池混合动力机车。第二个工作是提出铁路牵引供电系统的光伏、风电接入方案，为可再生能源直接驱动轨道交通车辆提供解决方案。另外一个工作是轨道交通储能技术，提供适合轨道交通的储能方案。
在背景方面，轨道交通从速度和距离都是跨度最大的交通方式。今天讲的动车组大概就位于下面这个地方，时速在120-160公里区域。关于轨道交通燃料电池方面，国外从托运车、调车机车、有轨列车、城际列车方面都有研究应用，城际列车就是法国阿尔斯通研制的时速140公里的动车组。
国内的话，我们团内在2013年推出了国内首辆燃料电池调车“蓝天号”，2016年和中车唐山推出了有轨电车，同一年中车四方和清华合作的有轨电车也出来了。我们今年做了一个混合动力的调车，目前正在跟一些单位合作动车组、重载和工程作业车方面的工作，估计今年工程作业车马上会出来。
面对动车组这么一种车辆，主动力可以用燃料电池来做；另外一个是高铁，其实高铁的应急电源和辅机电源也可以用燃料电池。针对轨道交通车辆时速160公里甚至更高的情况，我们知道速度越大，车体和大气边界会存在一个低压区域。由于燃料电池空气供应系统的入口和出口直接对环境开放，所以环境压力或空气成分变化，对燃料电池的性能、寿命甚至安全稳定都会有影响。也就是说，高速下的工况，因为边界压力的变化会引起一定的问题。这种高速下遇到的问题，有如下四种场景：第一个是车快速运行过程中，会在边界产生低压；另外是启动-加速-减速-停车的循环工况会引起压力波动。第二个场景是，铁路难免存在隧道的情况，建隧道的时候为了降低成本，通常隧道截面积是尽可能小，也就是说车和隧道之间的空隙比较窄，这个时候，车进入、穿过和驶出隧道的时候，车体边界的压力也会有很大的波动。另外就是列车可能长距离驱使，甚至上千公里的行驶距离，可能存在不同高低海拔和高低温度的切换循环，也对燃料电池有影响。最后就是两个车之间同向或者相向运行，中间也会产生压力的变化。所有的这些情况，都会对燃料电池产生很大的影响，所以必须针对不同工况各种场景，对燃料电池空气的进口和出口的位置、结构做一些优化，对整个燃料电池系统的氢-氧-水-热等等管理进行协调控制，确保燃料电池在各种场景下高效、安全、稳定运行。
我们前面看了动车组，它的速度快、需求功率高，所以说它对燃料电池的需求功率也比较高。我们这里以时速160公里的轻轨城际动车组为例，燃料电池需求功率大概在400-600kW，储氢量大概在200-300公斤。所以说动车组对高能量密度储氢量有非常高的要求。
评价一个燃料电池车载储氢系统，我这里列了十几个指标。前面两个是体积能量密度和质量能量密度，这跟车上空间、轻量化要求和行驶里程决定的，必须要达到一定的能量密度；第三个是操作温度，主要是满足车上使用的便捷性和运行成本，4、5、6主要是储氢系统循环性的问题，7、8、9是经济性问题，这个大家目前考虑得比较少，但它非常重要，是决定储氢技术能不能大面积推广的重要因素。第一个经济性指标是，为了达到氢的能量密度，它的能耗是多少？就是单位功耗可实现的氢气能量密度，这是需要考虑的，不能一味追求氢气的能量密度，但是能耗太大，从经济上也不合适；第二经济性指标是维护性的成本；第三是设备的价格成本因素。其它的方面就是安全性、操作性和膨胀性、导热性等。膨胀性就是以固态储氢为例，在充放氢过程中会发生膨胀。导热性，也以固态储氢技术为例，它本身放氢的时候需要吸热，但如果本身导热性差的话，这就非常影响放氢的速度，所以这些因素都需要考虑。
结合动车组的需求，它对能量要求，个人觉得目前如下五种储氢技术是可能的方式：1）70MPa气态压缩储氢，储氢密度不是太高，结合到实际情况有可能可以用；2）固态金属氢化物储氢，先不说目前的可逆性、循环寿命、放氢速度，固体储氢有一个矛盾，就是它随着储氢密度的增加，它的操作温度也越高，200多度、300度甚至更高温度，在车上的便捷性、运行成本来讲就不划算。但这里有几位专家都是做固体氧化物燃料电池，如果固体氧化物燃料电池能够做到上车了，固态金属氢化物储氢可能将是最有竞争力的一种方式。但是目前车上用的都是质子交换膜燃料电池，是低温的，所以我们对储氢系统的放氢温度就希望它在60度以内，而且储氢的质量密度又在7%以上，循环寿命在1万次以上，这样才有比较大的竞争力。所以目前来说，质子交换膜燃料电池的固态储氢方式还要有一个发展过程；3）低温液态储氢，这种方式是低温状态下，零下253度，绝对温度20K，在这种温度下，它的氢气液化能耗不可避免要占10%以上的氢的能量，现在的技术在30%以上，未来有可能达到15%。目前实现储氢密度的功耗有点大，这是它的不足之处；另外是它的自然蒸发，被动绝热、主动绝热就会让储氢密度、能量的利用效率打一个折扣，所以说这是低温液态储氢不是首选的原因；4）高压低温液态储氢，它在一定的高压下，储氢密度会有一个大的增加，但同样的，它的问题和第三个差不多，除非是对能量密度有硬性的要求，而且运行的时间比较短，比如航天的发射，一下子发射完了，所以说这种场合可以；5）个人认为，这是动车组上目前最有竞争力的一种方式，就是高压低温气相储氢。我们知道氢气压缩的时候，在60MPa以上的话，它的非线性增加了，而且对设备的要求也高了。温度的话，绝对温度达到80K以下，这是比较难的，它的能耗是指数增加的，但是80K以上的冷却相对来说比较简单，比较常规化。所以从这两点来考虑，我们觉得压力在50MPa到35MPa范围内，温度在100K-80K的情况下，整个系统的操作性、便捷性、安全性、经济性都有一个很好的均衡，它的能量密度也可以，能达到60kg/m3、6wt%以上，我认为这是最好的方案。针对高压低温的状态下，它的压缩机、低温膨胀机所需的能量，我们尽量采用光伏等可再生能源，就进一步提高了整个系统的能效，现在都在讲碳中和，这个也更有竞争力。当然从地面的制氢到加氢到用氢的整个过程，我认为我们必须要综合优化，比如说我设备考虑100-80K的范围内，它还是有热损失的问题，所以尽量不要把氢制出来以后闲置太久，一直到车辆运行，整个过程要无缝衔接，避免多余的损耗和安全影响，满足系统的高效、绿色运行。
第三个是大功率多堆拓扑与控制。动车组是400-600kW的功率，当然燃料电池单堆功率是有限的，必然存在多堆问题。当然现在国内有一种潮流，就是想把燃料电池单堆功率做大，目前最大180kW。但是我觉得这种大的追求是没必要，也是不科学的，因为本身提高功率无非就是两个，一个是串得多，一个是面积大。串得多，它的稳定性、它的流程，还有面积做大了，它的机械强度也会影响，电压均衡和电流密度均衡的控制更加困难，因为很难保证电堆本身的温度、湿度、压力等时空分布的合理性，所以我目前建议最好的就是以100个千瓦的功率等级来，需要大的功率，进行多堆组合。这样，那就涉及到拓扑的问题。拓扑有两个拓扑：一个是电气拓扑，对它的电是串还是并；另外一个是反应气体管路的拓扑。两个拓扑，都对燃料电池整个系统的效率、安全、可靠性、体积、重量都有很大的关系。另外对于多堆系统，它们的启停、它们最佳出力的分配，都需要很好地进行解决。尤其是，当堆与堆之间参数出现差异化的时候，参数的辨识和出力分配，就显得更加重要。
第四个问题，是混合动力拓扑与储能技术。多个堆的燃料电池，再有多套的储能，一起来构成整个混合动力系统。而燃料电池，目前我们的思路是，100kW的单堆，都经过DCDC并到母线。那么储能呢？我们认为DCDC一方面占体积、占重量、占成本，还可能成为一个故障源，所以说储量尽量把DCDC去掉，就直挂母线。
结合轨道交通对安全性要求非常高，解决能量的办法上，轨道交通相对来说要多得多。所以为了安全，又要满足大功率的需求，所以钛酸锂是首选。另外是飞轮和超级电容，相对能量密度太低，所以钛酸锂更有优势。我总结了轨道交通车载储能的六字原则，就是“高、大、长、宽、优、低”。“高”就是高安全，过充过放、针刺、拆解都不会燃烧和爆炸；“大”就是大倍率，6到10C的充放电倍率，大的时候20C、30C；“长”就是长寿命，要求2万、3万次以上的循环寿命，浅充浅放加上优化的热管理，可以做到几十万次的循环；“宽”就是宽温域，零下40度到50度都能正常工作；“优”就是优比能，能量密度适中的优，功率密度适中的优；“低”就是低成本，就是用户用得起，为用户创造价值。
汇报结束，谢谢！
