張鐵柱：氫能、電能利用的幾個新途徑
圖為山東理工大學學術委員會名譽主任張鐵柱做主題演講
日前，由中國電池工業協會、電池中國網聯合主辦的“2021氫能與燃料電池技術及應用國際峰會”在淄博舉行。山東理工大學學術委員會名譽主任張鐵柱做了題為“氫能、電能利用的幾個新途徑”的報告。
以下為報告實錄：
張鐵柱：謝謝大家，這一次會議利用兩天時間，半了三件事一個是中國電池工業協會上午，昨天下午成立氫能與燃料電池分會，今天利用一天的時間，搞分會的學術峰會效率很高，可以看到淄博市委市政府對這次峰會非常重視。上午書記、市長、包括副市長都來了非常重視。而且建議將分會的永久會址選在淄博，希望大家認識淄博選擇淄博。我講三個問題。
首先講概念。因為講概念才能帶出第二個問題。大家都知道學車的時候，車分為兩端一個是提供能源動力，現在汽車分為三種，一種是傳統的化石原料，載體是油箱，通過內燃機轉換動力輸出。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化為電能對外輸出，三種的能源形式，也就是說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，從負載端來看有三種負載形式，不管能源動力端是什么樣的形式，最后都是這種負載。這是第一個概念。
第二個概念，能源流驅動，能源流通過能源轉換裝置流到負載這一端驅動車輛行走。還有一種是車輛制動的時候，要把車輛的制動能量動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，這兩向流動有多少條路徑，應該是這樣？比如說燃油怎么直接變成機械能驅動機械負載，通過內燃機。再一個是燃油通過什么樣的形式，直接驅動電負載，現在沒有直接的轉換裝置。還有一種燃油通過什么轉化裝置直接驅動液壓負載，現在沒有直接的轉換裝置。還有是電池，電怎么驅動這三種負載，現在電池通過電機來驅動機械負載這個沒有問題可以實現。但是電池通過什么東西來驅動液壓負載沒有，得通過系統來解決，當然電纜沒有問題。
再一個是氫能怎么直接驅動機械負載，現在解決不了這個問題。現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搞內燃機人的夢想，當然也有一些人在做，廣汽和天津大學搞出氫氣內燃機的模型這是一個。
氫到電推動燃料電池，氫到液壓負載現在沒有，氫怎么讓他驅動液壓負載這個問題一直沒有解決，那么這種狀態，機械能怎么變成燃油目前現在解決不了這個問題，機械能變成電能通過發動機可以解決，機械能怎么變成氫能現在沒法解決。電到流也很難，電到氫可以解決。液壓能量變成機械能量這個可以解決，通過液壓能量，液壓能力怎么變成電能量，現在也解決不了，現在沒有實際的解決方案。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路徑有一些已經解決，大部分沒有解決，有一些可能都不能實現，這是我講的第二個概念。
第三個概念，就像劉董事長講的，每一種能量載體包括電池，都有它的長板短板有優勢和劣勢關鍵是把它放在地方使用。但是從現在來看，從美國能源局給的一個各種能用變量等等，安全性受命等等，現在沒有一種能源裝置能夠滿足任意能源適用場景。實際上我們很多應用場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。怎么解決這個問題？就是搞能源負荷不同的能源形式進行符合來解決這個問題，不同的動力集成解決這個問題。
用幾個概念再分別介紹一下這幾個新的途徑。現在大家可以看，我們現在這是幾個常規用的能量轉化系統，燃油到內燃機，液壓能通過液壓泵就可以解決，電動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，現在燃料電池不能回收能量怎么辦？給大家談談這幾個問題。
氫燃料通過氫內燃機通過燃料電池轉換，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。比如說飛輪內部鑲嵌了發動機，就可以變成飛輪電池或者飛輪液壓機，再一個就是液輪飛輪，這個部件功率特別高。
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，讓他負荷解決這是一點。
第二再生燃料電池暨也就是說把現在的燃料電池技術和電解氫和電解水的技術結合使用，現在這個技術在美國已經有。我國還沒有看到這種產品，現在正在探索，把這兩種技術給集成，把燃料電池和電解水技術給他集成，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。
還有一個是實現氫到機械能直接轉換的技術，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，現在來看廣汽和天津大學把這臺內燃機搞出來，實現了氫能到機械能的轉化，效率不低44%，有一個非常好的特點，就是對氫的濃度就可以富產氫就可以使用，不像燃料電池一樣對氫有要求，還得對氫進行提純。
這個是一個氫燃燒室，下面帶著活塞，實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發動機實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，我去濰柴驗收項目，濰柴現在搞了一個燃料電池協同創新中心，山東在這一塊布局比較早，但是濰柴提出一個問題，濰柴的未來路在何方？能不能和氫能結合？他現在有擔心，說濰柴到2030年還可以，依靠柴油機還可以，如果不和氫氣、氫能結合，恐怕將來很危險，這是他們的路徑之一，因為整個內燃機的產業鏈太大，不能完全丟棄掉，所以就把燃氣發動機內燃機改造成氫氣發動機，這是一個。再一個就是實現電能和液壓能直接轉換的兩個裝置，現在機液能量裝換沒有，現在從電能到液壓能需要什么，需要電帶一個電機，來完全相互的轉換。我們在國家基金委的支持下，搞了兩個東西，一個是直線的電動液壓泵，中間是電機，兩邊是注冊泵，反正是哪個主動，你電機主動就是電機是源動端，這樣就實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，就能形成電動泵組，就形成了一個電能和液壓能之間的相互轉換這么一個裝置。過去不行，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，這一個也實現了電能機械能、液壓能這三者之間的轉換，現在沒有這個東西，在國家基金委的指導下開展這方面的工作。
再一個是電能耦合轉換系統，汽車都有液壓電系統沒有，他們叫電控，電子插播器那是電控，沒有這個東西，我們怎么辦呢？或者車載你是氫的話，那么就通過這個東西，來進行機電液的協調分配，他完成協調分配是機械液壓電都處在一個最好的工作區域，就相當于我們的汽車的操作器這是一個。
還有最后一個，我們天然氣因為天然氣泵壓力也很大過去開發這種產品，因為用氣的時候，用天然氣的時候壓力很低，氫氣管用的氫氣很高，天然氣也存在這個問題，氫能余壓發電或調壓發電系統，這一塊巨大的能量就浪費掉了，這是一個想法還沒有開展做。
總結一下，1、從能源供給側來看發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、綠氫方向轉型。
2、由于車載能源的轉型，根據車輛負載類型及雙碳目標要求，必須創新能量轉換技術路徑，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新的路徑，希望引起大家的關注。
3、能源復合與動力繼承是克服單一能云與動力形成短板的好方法，能夠實現相互間戶部和耦合，保障系統的高效、高質量、高安全性運行。
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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