燃料电池电动汽车_

修改稿收稿日期:2006-10-08 作者简介:胡 骅 (1931-),男,江西九江人,副教授,研究方向为汽车及电动汽车;宋 慧 (1963-),女,河南商丘 人,副教授,研究方向为工业电气自动化和电动汽车。 燃料电池电动汽车 (Ⅰ) 胡 骅1,宋 慧2 (1.武汉理工大学,湖北 武汉 430070;2.武汉科技大学) 摘要:燃料电池电动汽车FCEV(FuelCellElectricVehicle)是汽车工业可持续发展的主要方向之一。本文重 点介绍现代燃料电池电动汽车的燃料、质子交换膜燃料电池,燃料电池发动机和燃料电池电动汽车的结构和原理 等,阐述我国自行开发的燃料电池电动汽车和国外新一代燃料电池电动汽车。 关键词:燃料;燃料电池;燃料电池组;燃料电池发动机;燃料电池电动汽车 (FCEV) 中图分类号:U469.722 文献标识码:B 文章编号:1003-8639(2007)01-0051-05 FuelCellElectricVehicle(Ⅰ) HUHua1,SONGHui2 (1.WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China;2.WuhanUniversityofScienceandTechnology) Abstract:TheFCEVisoneofthemajordirectionsinthesustainabledevelopmentofautomotiveindustry.The authormainlyintroducesthefuelofFCEV,theprotonexchangemembranefuelcell,thefuelcellengine,the tructureandprincipleofFCEV;elaboratesFCEVdevelopedathomeandnewgenerationabroad. Keywords:fuel;fuelcell;fuelcellunit;fuelcellengine;fuelcellelectricvehicle(FCEV) 1 概述 采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料电池 电动汽车FCEV(FuelCellElectricVehicle),最早 的 FCEV是 燃 料 电 池 大 客 车 FCEB(FuelCell ElectricBus)。由图1可以看出,早期的FCEV的燃 料电池本身和它的附属设备的质量重,体积大,占 据了大客车很大部分的装载空间,几乎没有乘客乘 坐的空间,给FCEV的总布置带来很大的困难。近 年来燃料电池不断地向小型化方向发展,使得燃料 电池成功地装置到各种类型的车辆上。 1.1 FCEV的总布置形式 FCEV是一种地面车辆,仍然保留了车辆的行 驶系统、悬挂系统、转向系统和制动系统等。 FCEV是以电力驱动为惟一的驱动模式,其电 气化和自动化的程度大大高于内燃机汽车,早期用 内燃机汽车底盘改装的FCEV,在汽车底盘上布置 了氢气储存罐或甲醇改质系统,燃料电池发动机系 统,电气控制系统和电机驱动系统等总成和装置, 在进行总布置时受到一些局限。 新研发的FCEV采用了滑板式底盘,将FCEV的 氢气储存罐和供应系统、燃料电池发动机系统、电 能转换系统、电机驱动系统、转向系统和制动系统 等,统统装在一个滑板式的底盘中,在底盘上部可 以布置不同用途的车身和个性化造型的车身。采用 多种现代技术,以计算机控制为核心和电子控制的 “线传”系统 (Control-by-wire),CAN总线系统等, 使新型燃料电池电动车辆进入一个全新的时代。 1.2 FCEV类型 FCEV按主要燃料种类可分为:①以纯氢气为 燃料的FCEV;②以甲醇改质后产生的氢气为燃料 的FCEV(图2)。 如图3所示,FCEV按“多电源”的配置不同, 可分为:①纯燃料电池FCEV;②燃料电池与蓄电 池混合电源的FCEV;③燃料电池与蓄电池和超级 1.甲醇储存罐 2.散热器 3.改质器 4.H2、CO分离器 5.循 环泵 6.燃料电池组(堆) 7.控制系统 8.蓄电池组 9.DC/ DC转换器 图1 早期的FCEV 51《 汽车电器》2007年第1期 ●SpecicalLecture● ●专题讲座● ●专题讲座● ●SpecicalLecture● 52《 汽车电器》2007年第1期 1.驱动轮 2.驱动系统 3.驱动电动机 4.逆变器 5.辅助 电源 (蓄电池、超级电容器) 6.燃料电池发动机 7.空 气压缩机和空气加湿装置 8.氢气管理系统 9.中央控制 器 10.DC/DC转换器 11.氢气储存罐 12.燃烧器和改质 器 13.甲醇储存罐 14.H2净化器 图2 FCEV的基本类型 电容器混合电源的FCEV。后2种多电源的配置方式 是FCEV的主要配置方式。辅助电源用于提供起动 电流和回收制动反馈的电能。 1.3 FCEV对燃料电池性能的基本要求 FCEV对燃料电池性能基本要求有以下几方面。 a.燃料电池组 (堆)的比能量不低于150～200 Wh/kg,比功率不低于300～400W/kg。要求达到或 超过美国先进电池联合体 (USABC)所提出的电池 性能和使用寿命的指标。 b.可以在-20℃的条件下起动和工作,有可靠 的安全性和密封性,不会发生燃料气体的结冰和燃 料气体的泄漏。 c.各种结构件有足够的强度和可靠性,可以在 负荷变化情况下正常运转。并能够耐受FCEV行驶 时的振动和冲击。 d.FCEV除排放达到零污染的要求外,动力性 能要求基本达到或接近内燃机汽车的动力性能的水 平,性能稳定可靠。 e.各种辅助技术装备的外形尺寸和辅助技术装 备的质量应尽可能地减小,以符合FCEV的装车要求。 f.燃料充添方便、迅速,燃料电池能够方便地 进行电极和催化剂的更换和修理。 g.所配置的辅助电源,应能满足提供起动电能 和储存制动反馈电能的要求。 1.4 燃料电池性能与普通蓄电池性能的区别 a.燃料电池是将燃料的化学能转变为电能的装 置。但燃料电池在产生电能时,参加反应的反应物 质在经过反应后,不断地消耗且不再重复使用,因 此,要求不断地输入反应物质。燃料电池的技术性 能确定后,只要源源不绝地供给燃料,就可以源源 不绝地产生电能,其放电特性是连续进行的,但是 燃料电池是不可以充电的“电池”。 b.普通蓄电池是一种能量储存装置,不产生电 能。蓄电池的活性物质随蓄电池的充电和放电反复 进行可逆性化学变化,活性物质并不消耗,一般只 需要适当地添加一些电解液等。普通蓄电池的技术 性能确定后,必须先充电,将电能储存到电池中, 才能在工作时输出电能,而且在电能消耗完后,必 须在重复充电后才可能重复使用,其放电特性是循 环进行的。 2 FCEV的燃料 (Fuel) 氢气H2是FCEV的惟一燃料,FCEV采用的氢气 一种是来自地面固定的制氢系统,另一种是来自车 载移动的制氢系统,当前主要采用地面固定的制氢 系统生产的氢气作为FCEV的燃料。 2.1 地面固定的制氢系统 工厂化氢气的制备方法有:①用裂解法从天然 气或石油气中制取氢;②用水煤气法从焦碳或白煤 中制取氢;③用“改质法”从醇类或烃类中制取 氢;④用电解法或太阳能从水中制取氢;⑤从含氢 的工业尾气中提取氢;⑥生物制氢等。直接使用氢 燃料可以使FCEV的辅助系统大大简化,效率提高。 燃料电池所使用的气态或液态氢是一种无气味 的透明气体,泄漏到大气中后,一般不容易发觉, 气态或液态氢的生产、储存、保管、充加、携带和 运输的各个环节中可能存在氢气的泄漏。在试验中 图3 FCEV采用的主要电源和辅助电源分类 ●蓄电池用水不用愁，接通水源自动流！ 详见插3广告● 表明,在一定的条件下,空气中氢气达到一定浓度 时,其危险性超过了汽油。如果处理不慎,就会存 在火灾和爆炸的隐患。商品化的氢气对各个环节安 全性能的要求更加严格。氢气供应是一个严格的系 统工程,在整个氢气供应系统中,都应该采取有效 的安全防范措施和救援设施。在FCEV上采用的氢 气有:①压缩氢气;②液化氢气;③储氢合金储存 的氢气等。 2.1.1 压缩氢气 FCEV采用的压缩氢气用纤维增强的高压密封 容器储存,以保证氢气储存的安全性。我国用普通 钢材制造的罐体氢气压力约为15MPa,氢气的质量 仅占储存容器总质量的1%;在国外用特制高强度 奥氏体钢材制造的罐体,氢气压力可达25～35MPa, 氢气的质量占总质量的2%～6%。目前大多数FCEV 采用了压缩氢气。压缩氢气的容器,要求强度高, 结构复杂、体积大、质量重,安全性差,罐装时能 耗大。轿车一般将压缩氢气储存罐 (图4)装在底盘 后部,客车一般将压缩氢气储存罐装在车身的顶部。 不同压力的氢气对储存罐的容积有不同的要 求。例如:排量为3L,质量为1500kg的FCEV行驶 560km需要6.8kg的氢气。如果压缩氢气的压缩压 力为25MPa,则需要氢气罐的容积为340L,如果 压缩氢气的压缩压力为52MPa,则需要氢气罐的容 积为160L,但同类型的内燃机汽车的汽油箱的容 积仅仅70L。氢气的灌装需要复杂的灌装设备,灌 装时间也很长,还需要消耗一定的能量。在同类型 的内燃机汽车灌装一箱汽油时,不需要特殊设备, 只需要几分钟。 2.1.2 液化氢气 液化氢气具有最高储存密度,但需要采用高 压-超低温技术来保持氢气呈液态。液态氢气的温 度保持在-253°C的低温时,可以在1mL的容积内 储存800mL氢气。液态氢储存在特制的用碳纤 维增强、双层金属或塑料内衬、耐爆破压力达到 94.8MPa的圆柱形的储氢罐中 (图5),在罐壁之间 要抽成真空,以减少热传导,如果出现细微热量的 热传导,也会使液态氢蒸发而造成能量损失。高压 储氢罐的结构复杂,管理和维护比较困难。 2.1.3 储氢合金储存的氢气 氢 吸 附 合 金 有 : FeTiH2、MgH2、LaNi5H6、 NaBH4、活性炭、碳纳米管等材料。一般吸附合金 可能的储藏氢的量为1000～1100mL。日本所开发 的钛基吸附合金氢的储藏量达到1600mL。在冷却 状态和10MPa的压力下压入氢气,在使用时加热将 氢 释 放 出 来 。 美 国 ECD(Energy Conversion Devices)公司所开发的镁基吸附合金,氢的储藏量 可达到3500mL。戴-克汽车公司采用世纪电池公 司MilleniunCell开发的NaBH4氢吸附合金安全可靠, 一次充氢后续驶里程达到483km。碳纳米管吸附材 料有较大的吸附能力,还有待进一步开发。吸附合 金的储氢装置如图6所示。 2.1.4 氢气燃料的特点 2.1.4.1 优点 氢气是燃料电池最理想的燃料,纯度高,在 FCEV上可以直接使用,用氢气为燃料的燃料电池 图4 压缩氢气储存罐 1.内层 2.外层 3.超级绝缘材料 4.水平传感器 5.气体 抽出管 6.液氢注入管 7.注入接头 8.液氢抽出管 9.电 加热器 10.气体/液体换向阀 11.冷却水热交换器 12.减 压阀 13.安全阀 14.液态氢(-253℃)15.气态氢(20～80℃) 16.悬架 图5 液化氢气的储存罐 图6 吸附合金的储氢装置 ●SpecicalLecture● ●专题讲座● 53《 汽车电器》2007年第1期●先专为个体设计的小小型、壁挂式蓄电池用水设备 详见插3广告● ●专题讲座● ●SpecicalLecture● 54《 汽车电器》2007年第1期 系统设备较简单,起动快、性能稳定,对负荷变化 的响应快,排放为零污染,相对成本较低。随着氢 气储存装置的改进,氢气储存装置在FCEV上的布 置问题将进一步得到解决。 按轿车或客车车型的不同,用高压气态氢气, 一般一次充氢的行驶里程200～250km。用液态氢一 次充氢的行驶里程可达400～500km。用储氢合金一 次充氢的行驶里程可达400km左右。 2.1.4.2 缺点 工厂化地面固定的制氢系统是一个庞大、复杂 的系统工程,需要建立大规模的氢气制造厂、灌装 厂、运输系统、储存系统和添加网络,以及系统的 安全防护体系等,建立起来需要大量的投资和较长 的时间。 2.2 车载移动的制氢系统 在FCEV研究和开发过程中,车载移动的制氢 系统是用醇类或烃类经过改质来取氢气。最常采用 的是甲醇和汽油。 2.2.1 甲醇CH3OH 用天然气为原料生产的甲醇,具有单一的成分 和高纯度,可以在较低的温度条件下改质为氢气, 使改质工艺和设备简化。甲醇的储存、保管、添 加、携带和运输都比氢气方便,采取有效的防腐措 施,提高各种管道阀门和泵的防腐蚀能力后,甲醇 可以利用现成的汽油储运系统。 2.2.1.1 甲醇的性能 甲醇在室温和常压下为液态,不会发生自燃、 爆炸,毒性比汽油小,不会发生人身中毒现象。甲 醇的生产、储存、保管、充加、携带和运输的各个 环节不需要特别的储存和运载装置。 甲醇分子结构简单,氢-碳比例最高,没有难 以分离的碳-碳原子共价键,比其他醇类燃料更容 易释放氢。不需要对燃料进行二次转化,能够减少 氮氧化合物 (NOx)和碳氢化合物 (HC)的排放。 甲醇中不含硫,不会引起燃料电池的催化剂中毒, 用甲醇为燃料的燃料电池车的燃油经济性比传统内 燃机的燃油经济性高2.1～2.5倍。 2.2.1.2 用甲醇制氢的方法 甲醇经过改质操作后,从碳氢化合物中分解出 氢气。当前采用的改质技术有:①蒸气改质技术; ②局部氧化改质技术;③废气改质技术等。 2.2.1.3 甲醇燃料的优点 a.甲醇可以用天然气和有机物生产,摆脱了对 石油的依赖。甲醇不易燃烧,不会发生燃烧与爆炸 的危险,安全性好。 b.甲醇的改质技术较成熟,改质时操作温度较 低 (<300℃),目前一些燃料专业公司已有商品化的 甲醇改质装备系统出售,适合装配各种不同的车型。 c.甲醇添加速度快,不需要特殊的安全装置, 只要燃料箱有足够的容量,就可以使FCEV的行驶 里程大大地延长。 2.2.1.4 甲醇燃料的缺点 a.用甲醇制氢的制造装备复杂。在FCEV上以 甲醇改质的氢气为燃料的系统中,增加了甲醇的加 热器和改质器,在氢气中还混杂少量的CO2、CO、 HC等有害气体,特别是CO会对燃料电池的催化剂 铂Pt产生毒害作用,因此,用甲醇产生的H2还需要 用净化器来除去CO。整个改质系统装有较复杂的 泵、阀和管道等附属装置,体积大,结构复杂,对 FCEV的总布置较困难。 b.在改质反应过程中有300℃的高温,需要有 热管理系统,对其产生的热量进行管理。 2.2.2 汽油 汽油作为汽车的燃料已有100多年历史,但作 为内燃机汽车的燃料,汽油热量转换的效率仅为 12%～15%。如果将汽油改质为氢气供燃料电池作为 燃料,汽油热量转换的效率可以达到34%左右。汽 油采用和甲醇相似的改质装置与设备,将汽油经过 改质处理可以获得氢气。用汽油改质为氢气作为燃 料电池的燃料的特点如下。 2.2.2.1 优点 a.汽油已经有完善的生产、储存、保管、运输 系统,添加十分方便,不需要重复进行投资。 b.汽油的质量比能量高,比甲醇改质转换为氢 气所需要的辅助设备更紧凑和更轻巧。 2.2.2.2 缺点 a.汽油是石化燃料,仍然需要依赖石油能源。 b.汽油经过改质转换为氢气作为燃料电池的燃 料时,在改质器中转换为氢气时的反应温度高达 900℃,对热能的控制和热量的利用都比较复杂, 对系统材料的高温性能提出更高的要求,冷却系统 也更复杂。 2.3 其他种类的燃料 除常用的氢和甲醇等燃料外,美国宾西法尼亚 大学经过研究和试验,证明甲烷、乙烷、甲苯、丁 烯、丁烷、液化气和煤油等碳氢化合物都可以经过改 质来转换H2作为燃料电池的燃料,但工艺有所不同。 2.4 改质技术和改质 (重整)器 甲醇改质为氢气时,改质技术和改质器是必须 的关键技术和关键设备,由于采用的改质技术和改 质器的不同,改质工艺过程也有所不同,且在改质 时的化学反应过程也各不相同。 2.4.1 改质器的工作原理 2.4.1.1 甲醇在蒸气改质器中的化学反应 甲醇在蒸气改质器中的分解反应在621℃的高 温下进行,转化反应在200℃左右的温度下进行。 ●能够延长蓄电池使用寿命的制水设备 详见插3广告● !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 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