同济大学驱动系统创新研究所所长宋珂：高效模块化燃料电池解决方案助力产业发展
文章来源：全球氢能，该内容为全球氢能现场速记，未与嘉宾本人进行确认，仅供参考
“氢燃料电池对比锂电池不管是能量效率、低碳，还是安全性方面都更具优势，是更刚需的应用场景。”同济大学驱动系统创新研究所所长宋珂表示。
2023年12月14日，由北京国化新材料技术研究院主办，国元新能源科技发展(武汉)有限公司、ACMI化工新材料研究所（氢能研究所）、全球氢能团队承办的“2023储氢与氢两轮车耦合发展沙龙”在浙江杭州隆重召开。
同济大学驱动系统创新研究所所长宋珂分享《氢能两轮车高效模块化燃料电池解决方案》
沙龙现场，同济大学驱动系统创新研究所所长宋珂给我们带来了《氢能两轮车高效模块化燃料电池解决方案》的主题演讲。[相关阅读：沙龙速递 | 同济大学驱动系统创新研究所所长宋珂分享《氢能两轮车高效模块化燃料电池解决方案》]
宋老师表示，氢能燃料电池技术在两轮车场景中的应用日益受到关注，报告将分析氢能燃料电池技术在该场景中应用的各项优势，介绍燃料电池与固态储氢在这种场景下结合的底层逻辑。针对两轮车场景下的应用挑战，介绍一款创新模块化燃料电池解决方案，兼具优良的动力性、经济性、耐久性和环境适应性，助力产业快速发展。
氢燃料电池：能量密度有天生的优势
“对比两轮车传统的动力源，包括现在比较流行的锂电池动力源，氢燃料电池有其自己的优势和价值。”沙龙伊始，宋老师直入主题道。
第一个是燃料电池拥有更高的能量密度，更长的续航里程。“氢的能量密度有天生的优势。”宋老师介绍道，两轮车用动力能量转化方式强调一个功率密度和能量密度，同样重量的情况下，燃料电池两轮车能携带更多的能量，延长续航里程。
其次燃料电池具有更高的安全性、更长的使用寿命。纯锂电两轮车面临多重安全问题，其中以碰撞风险、充电风险、电池污染为最。以碰撞风险为例，受到碰撞、挤压等意外机械冲击时，锂离子电池内部容易发生短路，产生大量的热，加上可能发生的外壳破裂与电解液漏液，有着火、爆炸等危险，另外，数据显示2022年全国共接报电动自行车（电动助力车）火灾1.8万起，对比锂电，氢在空旷环境下逃逸速度很快，更加得安全；从寿命角度来说，锂电池充放电就更频繁，轻量化应用可能循环个两三百次就不行了，对比起来燃料电池有很大的优势。
第三，氢能是更绿色的能源，在恶劣环境下有着更强的适应性。锂电池正极材料磷酸铁锂、钴酸锂、三元材料，以及电解液中的有机溶剂与锂盐均存在不同程度的环境污染或毒性，且和锂电突飞猛进的增长速度相比，回收产业尚不成熟，回收率较低，而氢燃料电池只产生水和少量的热能，几乎没有尾气排放，即使在寒冷的冬天，也能正常运行，“趴窝”的下限更低，发展的上限更高。
第四，氢燃料电池可以提供更短的加注时间、更灵活的解决方案。氢两轮车数分钟内可完成加氢或更换氢罐，通过调整储氢量，可以胜任多种任务。
系统技术挑战：“基于规则的控制方法”
“要去提升一个产品本身品质的话，有很多工作需要做。这块我们就借鉴了我们原来在车上所做的一些工作，即氢电混合这个方案。”宋老师表示。
沙龙上，从专业的角度，宋老师介绍了团队在探索设计高效氢电混合动力系统过程中的技术挑战，并对此分享了自己的经验。
同济大学驱动系统创新研究所所长宋珂分享《氢能两轮车高效模块化燃料电池解决方案》
宋老师表示，当下混合动力系统在狭小空间的集成化设计的难题更偏向于“因车制宜”，在两轮车坐垫下方有限空间里布置动力系统，满足固定可靠 、散热性能良好 、空气进气、换瓶便捷的需求，以实现氢电混合系统一体化。技术上，对于燃料电池混合架构的设计难点，宋老师认为存在“动力性、制动能量、输出电压”三个方向的难点：
两轮车的动力性需要提高混合架构的集成度，来保证燃料电池和锂电池混合动力系统有较高的功率密度和能量密度；
进一步提升续航要考虑回收制动能量。如何进行调速收吧和刹车握把以及减轻回收过程中的顿挫感是当下亟需解决的难点；
混合架构对稳定的燃料电池输出电压提出了要求，可通过DC/DC变换器，借助锂电池来弥补燃料电池在动态性能上的不足。
对于混合系统能量管理，即如何去平衡来自锂电池能量和来自氢燃料电池的作用能量，宋老师介绍道，团队的经验是“基于规则的控制方法”，对于混合能量源的系统，为了充分发挥各自系统的优点，提升续航里程，需要综合各能量源的特点，针对复杂多变的使用工况，和不同类型驾驶者的驾驶习惯，制定一套合适的控制方案，提供不同运行模式，最大化系统效率。
宋老师强调了低温带来的挑战，“低温挑战的背后其实因为是生成的水结了冰，这个会影响到燃料电池启动。那么它的策略控制上要在讲什么？在达到零度之前，生成水结冰的速率和燃料电池系统它本身升温的速率，后者要强于前者，那么就能够持续的让燃料电池温度不断上升，从而跨过冰点。那么在这个过程中，如果水生成的速度或者说结冰速率高了，你的升温速度你就启动失败。”宋老师表示。
事实上，低温下燃料电池在启动过程中除了结冰堵塞气体运输通道，覆盖三相反应界面，导致电池无法启动的危害，这种相变还会在电池内部产生不平衡应力对电池部件造成破坏，也因此，燃料电池对电池水热管理要求很高，对于这个问题，宋老师表示通过合理的控制策略和辅助手段，在催化剂层完全被冰覆盖前，使温度升到0℃以上，是能否实现冷启动的关键。
此外，对于混合动力系统的耐久性这一话题，宋老师表示，燃料电池和锂电池的退化机理复杂，寿命预测困难，需要设计基于多目标优化的混合动力系统控制策略。
“混合动力系统的综合寿命受什么影响，我们认为分三块，一块是本真因素，一块是系统因素，一个环境因素。”宋老师解释道，造成燃料电池退化的原因包括本身的设计制造、系统的管理控制（比如水管理、热管理等）与启停工况等使用因素，这些因素的影响相互耦合，使寿命预测较为困难。
关于未来，宋老师提及，氢燃料电池技术的引入，无论在大功率使用的场景下，还是中小功率的产品架构，将有望进一步推进可再生能源的利用，是更刚需的应用场景。
理论付诸实践：济美动力对高性能模块化氢燃料电池的探索
作为本次沙龙的高校代表，宋老师长期从事交通载运工具类燃料电池动力系统关键技术及理论的研究与教学工作，具有丰富的理论知识，同时，将理论付诸实践，宋老师亦是颇具心得。
据透露，作为同济大学孵化的平台之一，上海济美动力科技有限公司（以下简称“济美动力”）成立于2021年9月，是一家专注于氢能技术研发和应用的创新型企业，致力于为社会提供清洁、高效、安全的能源解决方案，公司研发的高性能模块化氢燃料电池系统已在单旋翼、多旋翼工业级无人机和海上交通船等多场景应用领域获得成功应用。其首架氢燃料无人机已于2021年12月26日起飞。
据介绍，强大的电池模块化、高性能改造的系统集成能力是济美动力的核心竞争力。以氢动力无人机应用为例，从电堆和系统结构出发，济美动力对传统氢燃料电池的基础单元做了优化调整，转用更轻量的特制风扇取代传统燃料电池空压机，兼顾进气和散热的作用，形成了自洽的热管理系统；对氢循环系统进行了精简，将氢气出口做了封闭式处理，从而使得氢气用量可以根据反应需求自行调节。目前，济美动力已经与某军用无人机厂商达成战略合作，与数家eVTOL厂商的商业合作也正在洽谈中。
济美动力部分产品示意图，图源济美动力
2023年，将氢动力无人机应用的经验不断拓展，济美动力亦是突破不断——
2023年7月，济美动力与中集集光联合研发的氢燃料电池船在山东烟台成功完成了首次试航，标志着济美动力船用模块化燃料电池在海洋绿色能源应用领域取得了重大突破，推动绿色低碳航运发展向前迈进一大步。
9月，济美动力与德国莱茵金属举行首批燃料电池模块化产品交付仪式，此次交付标志着两家企业携手跨入新能源领域合作新纪元，济美动力进入氢燃料电池国际化推广阶段。
同济大学驱动系统创新研究所所长宋珂分享《氢能两轮车高效模块化燃料电池解决方案》
11月，济美动力首批氢燃料电池两轮车顺利交付，据了解，该产品是基于先进燃料电池技术的创新交通工具，采用模块化设计，将燃料电池系统与电动两轮车相结合，具备高能量密度、轻量化、高效转化、续航里程长（＞120km）、燃料加注快（换氢时间10秒）以及长寿命等优势，实现了对两轮车动力的长时间、高效能源供应，创新性地解决了传统电池交通工具续航里程限制和安全问题。
此外，在两轮车应用领域，济美动力与头部电动车企业之一形成了紧密的研发合作关系，就氢燃料电池两轮车项目展开了友好合作，并取得创新性进展。
氢装上阵，与氢同行。济美动力在推动能源领域绿色化、低碳化发展的同时，也将继续坚持推进技术创新，不断提高运用创新思维深化技术革新、研发新型产品的能力，争做绿色能源领域的领军人。
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