汽车发动机概论-论文-新能源汽车

同济大学《汽车发动机概论》论文燃料电池电动汽车FCEV姓名：XX学号：XXXXXX专业：机械设计制造及其自动化指导教师：胡宗杰时间：2010年6月14日同济大学《汽车发动机概论》论文2目录1FCEV的结构与工作原理.......................................................31.1FCEV动力系统的基本结构.................................................31.2燃料电池的工作原理......................................................32FCEV整车集成的关键技术.....................................................42.1整车集成布置............................................................42.2燃料电池发动机系统......................................................42.2.1燃料电池堆温度控制系统..............................................42.2.2燃料供给............................................................52.3再生制动..............................................................53FCEV的燃料(Fuel)...........................................................63.1地面固定的制氢系统......................................................63.1.1压缩氢气............................................................63.1.2液化氢气............................................................73.1.3储氢合金储存的氢气..................................................73.1.4氢气燃料的特点......................................................73.1.4.1优点............................................................73.1.4.2缺点............................................................83.2车载移动的制氢系统......................................................83.2.1甲醇.........................................................83.2.1.1甲醇的性能......................................................83.2.1.2用甲醇制氢的方法................................................83.2.1.3甲醇燃料的优点..................................................83.2.1.4甲醇燃料的缺点..................................................93.2.2汽油................................................................93.2.2.1优点............................................................93.2.2.2缺点............................................................93.3其他种类的燃料...........................................................94各国燃料电池汽车开发概况....................................................94.1美国...................................................................104.2日本...................................................................104.3加拿大.................................................................104.4中国...................................................................115燃料电池汽车离商品化还有多远...............................................126燃料电池汽车前景展望.......................................................13同济大学《汽车发动机概论》论文31FCEV的结构与工作原理1.1FCEV动力系统的基本结构FCEV的外形和内部空间等与普通汽车几乎没有差别，两者不同之处主要在于动力系统。FCEV动力系统的基本结构，如图1所示。燃料电池组发出的电力经DC/AC逆变器后进入电动机，驱动汽车行驶或经DC/DC转换器向蓄电池充电，当汽车行驶需要的动力超过燃料电池的发电能力时，蓄电池也参加工作，其电流经DC/DC转换器进入电动机，驱动汽车行驶。1.2燃料电池的工作原理燃料电池是一种电化学装置，是由正负2个电极以及电解质组成，其工作原理，如图2所示。在阳极上提供，在阴极上提供，氢在阳极催化剂的作用下，分解成氢离子和电子。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向阴极，用电负荷接在外部电路中。在阴极上，在催化剂的作用下同电解液中的氢离子吸收抵达阴极上的电子形成水。由于电解质中离子的运动，电极上有电荷的积累，外电路接通后有直流电通过，并可以持续。电解质具有选择通过性，只允许负极产生的质子通过，到达正极，但不允许气体和电子通过。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续发电。同济大学《汽车发动机概论》论文4阳极：阴极：总的化学反应式：2FCEV整车集成的关键技术FCEV是集汽车、电力拖动、自动控制、化学电源、计算机、新能源及新材料等诸多技术的复杂系统，对应整车系统的开发，包括的内容十分广泛，如：整车集成布置、车辆安全管理、能量管理策略的设计与优化、燃料供给、电堆温度管理及制动回馈等。2.1整车集成布置燃料电池汽车的整车布置除去与传统汽车相同部分，还包括燃料电池堆与电机的布置，氢气罐的安全布置以及高压电安全隔离。这些核心部件的布置，不仅要考虑布置方案的优化及零部件性能实现的便利，还必须考虑氢泄漏等传统汽车所不具备的安全性问题。目前经过国内外样车试制，电池堆与电机主要采取前置方式；氢气罐布置更多考虑汽车碰撞安全性和车辆外形结构紧凑，多采用后置。2.2燃料电池发动机系统一个燃料电池系统由燃料电池堆、热交换器及空气压缩机等子系统组成，如图3所示。对燃料电池的基本要求是：1）高的比能量和比功率；2）安全性好且成本低；3）对环境无危害，可回收性好。2.2.1燃料电池堆温度控制系统燃料电池堆温度对燃料电池性能、寿命和运行安全有较大影响。温度高将使质子交换膜脱水，不满足膜的湿润条件，其电导率下降，电池性能变差。特别是温度过高或超温运行，膜会出现微孔，使得氢气进入空气系统，危及运行安全；温度过低则会降低催化剂活性，影响化学反应过程。温度控制系统是由温度传感器、散热风扇、水箱、电热丝和循环水泵等组成，如图4所示。温度控制问题可以分为2种情况：1）在高温情况下，电堆温度不能自然同济大学《汽车发动机概论》论文5下降，此时，可以借助冷却风扇和循环水泵带走电堆的热量，从而降低电堆温度。由于电堆内部温度难以直接测量，所以实践中往往利用循环水的温度间接反映电堆内部的温度。调节风扇转速可以使冷却循环水的温度控制在合适范围。循环水从电堆中经过，通过传导带走电堆的热量，流经散热片，并通过外面的冷却风扇来降温。2）在低温情况下，虽然电堆持续发电会产生热量，但是在室温较低或者燃料电池轻载的情况下，在短时间内很难使温度达到合适范围，这时可采用电热丝对循环水进行加热，电热丝的加热方式采用分挡控制方式，电热丝由几条并联的电热丝组成，分别对应不同的挡位。在不同情况下，通过控制每个电热丝的闭合和断开来实现。加热过的循环水通过循环水泵带入电堆，从而实现给电堆加热。2.2.2燃料供给一般燃料电池汽车燃料为空气和氢气，空气可自由获得，经由空气滤清器的过滤，被高速风机压缩，再经过空气流量计的测量后到达空气的电堆入口处。目前常用的制氢方法是电解水、裂解石油、煤和天然气制氢，制取的过程会消耗大量的能源。目前多采用液态储氢，氢气供给系统，如图5所示。氢瓶采用35MPa的储氢压力，在氢瓶顶端装有一体式组合瓶阀。瓶阀中包括高压电磁阀、手动截止阀、安全阀、瓶内温度传感器和压力传感器等部件。加注口按35MPa压力标准选取，加注口内部具有颗粒过滤功能，可以对加注气体进行过滤，具有单向截止等功能。为了确保氢气通过加注口进入储气罐，在加注管道中增加一个单向阀。为了确保系统安全，在供氢管路中安装具有流量限制功能的溢流阀。高压气体通过减压后向燃料电池发动机提供稳定的氢气供应。同济大学《汽车发动机概论》论文62.3再生制动再生制动，即在车辆减速或制动过程中，通过带动电机发电的方式，将车辆的动能转化为电能存储在辅助蓄电池中，实现能量回收，同时产生车辆所需的部分制动力。再生制动策略对燃料电池汽车的燃料经济性和行驶安全性有着直接的影响，是燃料电池汽车的关键技术之一。制动减速过程中，制动力既要满足较大制动强度的要求，又要受到电机运行速度和电池荷电状态等方面的影响，单一的再生制动可能导致电机制动力不足，为保证制动效能的稳定性，目前较多是采用由摩擦制动和再生制动组成的复合制动系统。3FCEV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N-。3.1地面固定的制氢系统工厂化氢气的制备方法有：④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；⑧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-1-_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。毛EFCEV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。3.1.1压缩氢气