第四章燃料电池电动汽车

第四章燃料电池电动汽车现代电动汽车技术主要内容概述燃料电池系统的组成和工作原理燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理燃料电池汽车的关键问题典型的燃料电池车结构1、概述1.1概念燃料电池汽车是电动汽车的一种，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能获得。甲醇、天然气和汽油也可以替代氢（从这些物质里间接地提取氢），不过将会产生极度少的二氧化碳和氮氧化物。1.2燃料电池电动汽车的特点优势：（1）工作效率高以氢气为燃料的FCV效率可达到50%——70%左右，甲醇重整产生氢气的FCV效率可达30%左右，内燃机汽车的效率为11%左右。（2）节能、环保（3）结构简单和运行平稳面临问题：（1）造价高（2）氢气的储存、制备和运输（3）加氢站等基础设施建设1.3燃料电池汽车发展现状在众多的新能源汽车中，燃料电池汽车因其具有零排放、效率高、燃料来源多元化、能源可再生等优势而被认为是未来汽车工业可持续发展重要方向，是解决全球能源问题和气候变化的理想方案。国际燃料电池汽车现已进入技术与市场示范阶段。我国燃料电池汽车面临着发展后劲不足，技术创新突破难、产业化基础薄弱、专业人才缺乏等难题，严重阻碍了我国燃料电池汽车技术进步。1.3.1国外燃料电池汽车发展现状2009年，欧盟批准燃料电池和氢能技术项目行动计划，计划拿出4.7亿欧元持续资助燃料电池汽车及基础设施技术研发。德国政府高度重视燃料电池汽车及氢能研发，拟与企业联合资助14亿欧元用于燃料电池汽车、氢能等关键技术研发。日本政府在过去30年时间内先后投入上千亿日元用于燃料电池汽车和氢能的基础科学研究、技术攻关和示范推广。2011年1月，包括丰田、本田、尼桑等在内的日本13家汽车和能源企业共同决定在东京、大阪、名古屋和福冈四大都市圈的市区和高速公路上建立100座加氢站，并通过完善设计、改善生产技术等方法大幅降低燃料电池汽车生产成本，培育燃料电池汽车市场。美国政府对燃料电池汽车支持在布什任职期间达到顶峰，在奥巴马政府期间，美国能源部宣布从美国振兴计划中拨款4190万美元支持燃料电池特种车的研发和示范，另在2011年美国财政预算中安排5000万美元用于燃料电池和氢能技术研发。加拿大、韩国、澳大利亚、巴西、法国和英国等国家政府积极支持燃料电池汽车和氢能研发。2009年，戴姆勒、福特、通用、丰田、本田和现代汽车6个世界主要汽车公司签署备忘录，持续开展燃料电池汽车研发，计划于2015大力推广燃料电池汽车，并快速形成几十万辆燃料电池汽车保有量。经过长时间、持续稳步的支持，国外燃料电池汽车产品的可靠性、环境适应性(如低温启动性能)取得了重大突破，示范运行不断深入，并陆续推出用于租赁商业化示范的先进燃料电池汽车，燃料电池汽车进入技术与市场示范阶段。产品成本控制与配套基础设施建设成为制约燃料电池汽车商业化推广主要因素。在国家“十五”“863”计划电动汽车关键技术重大科技专项和“十一五”节能与新能源汽车重大项目支持下，我国燃料电池汽车技术研发取得重要进展，基本掌握了整车、动力系统与关键零部件的核心技术；建立了具有自主知识产权的燃料电池汽车动力系统技术平台；形成了燃料电池发动机、动力电池、DC/DC变换器、驱动电机、储氢与供氢系统等关键零部件配套研发体系，具有百量级燃料电池汽车动力系统平台与整车生产能力。1.3.2国内燃料电池汽车发展现状研制的“超越”系列、“上海牌”、“帕萨特”、“奔腾”、“志翔”等燃料电池汽车经受住了大规模、高温、大强度示范考核，成功服务于2008北京奥运会和2010年上海世博会。1.3.3国内外技术状态对比分析1、燃料电池汽车车型开发平台国外已经由基于传统车辆平台改造形成燃料电池车模式走向为燃料电池汽车打造全新整车平台阶段，如本田汽车公司Clarity，丰田汽车公司FCHV，戴姆勒奔驰公司F-Cell和通用公司ChevroletEquinox。在国内，以上汽股份、上海大众、一汽、长安、奇瑞等公司为代表开发的燃料电池轿车均基于传统内燃机车辆进行改制，尚未掌握燃料电池汽车专用车身开发、底盘开发、底盘动力学主动控制等关键技术，与国外存在较大差距。燃料电池整车集成技术燃料电池整车集成技术2、车辆动力性能主要受限于燃料电池功率输出水平和整车集成及轻量化技术水平，我国燃料电池汽车整车加速性能明显低于世界主流燃料电池汽车加速性能。3、车辆续驶里程到目前为止，我国基本掌握了35MPa高压储氢和加注系统关键技术，实现高压氢气瓶等部件国产化开发，但某些关键阀门、传感器还依赖进口，70MPa氢气存储关键技术和关键部件仍然处在研发阶段，其直接制约了我国燃料电池汽车续驶里程提高。4、整车燃油经济性水平、车外噪声水平我国燃料电池汽车与国外同类型汽车处于同一水平甚至领先地位。燃料电池整车集成技术1、集成度我国轿车用燃料电池发动机输出功率等级、功率密度等性能参数明显低于国外同类型燃料电池汽车用燃料电池技术性能。2、环境适应性低温冷启动性能3、可靠性及寿命4、成本控制关键技术研究国外一方面研究低铂燃料电池技术，减少催化剂用量，另一方面研究催化剂抗毒性，降低其运行成本，同时还开发非铂催化剂来代替贵重金属Pt。燃料电池发动机技术燃料电池堆质量功率密度体积功率密度国外1600W/kg2700W/L国内700W/kg1000W/L目前国外主流燃料电池汽车车型均采用70MPa的氢气存储和供给系统；国内燃料电池汽车的高压氢气存储系统压力仍然维持在35MPa水平，这一定程度上影响了我国燃料电池汽车整车续驶里程能力。国内35MPa的氢气存储和供给系统中的传感器、阀门等零件还依赖进口，直接导致氢气存储与供给系统成本过高。高压储氢系统技术燃料电池大客车1.4燃料电池车示例FuelCellBusofDaimler-Chrysler外形尺寸(mm):11,0702,4903,420满载总质量(kg)：15,000载客数（人）：50最高车速(km/h)：70最大爬坡度：≥15%加速性能(050km/h)：30s续驶里程(km)：≥200(40km/h匀速，储氢瓶压力15MPa)燃料电池城市客车设计参数ChineseNationalFCBDemonstration超过8000km的道路行驶试验2004年5月27日在天安门广场展示整车造型与色彩设计整车性能指标性能指标试验结果最高车速（km/h)86.4最大爬坡度（％）180→50km/h加速时间(s)30.90一次加氢(40km/h匀速)续驶里程(km)568.7(按35MPa计算）氢消耗量（kg/100km)4.848等效油耗（汽油L/100km)18.3加速车外噪声（dB(A)）76.3汽车爬坡试验PerformancesMotorpower：24kW(60kW)FCEpower：30kWBattery：50AHMaxspeed：110km/hGradeability：20％Acceleration：15.9sRange：220kmEfficient：0.98kg/100km2、燃料电池系统的组成和工作原理2.1燃料电池介绍燃料电池（FuelCell）是一种把燃料氧化的化学能直接转换为电能的“发电装置”，是电化学反应的发生器。按电解质类型不同，燃料电池可分为：质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池2.2燃料电池的工作原理组成：膜电极（阳极、阴极）、质子交换膜和集流板反应过程：1）氢气通过管道或导气板到达阳极。2）在阳极催化剂的作用下，一个氢分子分解为两个质子，并释放出两个电子，阳极反应为3）在电池的另一端，氧气通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。电子在外电路的连接下形成电流。4）在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反应为222HHe221222OHeHO22212OHHO电池总反应：2.3燃料电池发电系统单独的燃料电池堆是不能发电并应用于汽车的，它必须和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能与上述各系统协调工作的控制系统组成为燃料电池发电系统，才能对外输出功率。分类：增压式常压式燃料电池发电系统的主要研究热点包活：1）使用轻质燃料，优化设计，提高燃料电池系统的比功率；2）提高质子交换膜燃料电池系统的快速冷启动能力和动态反应性能；3）研究具有负荷跟随能力的燃料处理器，提高系统的工作可靠性。车载燃料电池系统必须满足以下几点要求：1）能保证在常温下工作，并且电化学性能不变；2）为满足汽车功率需求，能提供较高的电流密度；3）具有良好的免维护性能；4）耐振性和耐冲性能好；5）能够从低负荷到高负荷进行高效率运转；6）可以放置在冰点以下环境中。按燃料的供应方式不同，燃料电池发电系统分为直接和间接供氢型。直接供氢就是直接用氢作燃料，没有中间重整过程。间接供氢是通过重整装置先将氢从其他形式的燃料中分离出来。车载纯氢储存方法主要分为：高压氢气储存、液态氢储存、金属储氢、活性炭吸附储氢和碳纳米材料储氢。车载制氢需要内部高温的燃料处理器，通过重整或部分氧化等方式由燃料中获得氢。醇类：甲醇、乙醇、二甲醚等；烃类：柴油、汽油、甲烷等。3、燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理燃料电池电动汽车是以燃料电池系统作为动力源或主要动力源的车辆。按照驱动形式：分为纯燃料电池驱动和混合驱动。按照燃料电池系统的能量来源：分为车载纯氢和燃料重整。3.1燃料电池单独驱动汽车动力系统优点：1）系统结构简单，便于实现系统控制；2）系统部件少，有利于整车的轻量化；3）较少的部件使得整体的能量传递效率高，从而提高整车的燃料经济性。缺点：1）燃料电池的功率大，成本高；2）对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求；3）不能进行制动能量回收。3.2燃料电池混合动力电动汽车动力系统组成：燃料电池系统、DC/DC转换器、辅助动力源、驱动电机以及各相应的控制器，机械传动与车辆各行驶机构等。FC+BFC+CFC+B+CFC+B型燃料电池电动汽车的特点：优点：1）降低对燃料电池的功率要求；2）燃料电池可在比较好的设定的工作条件下工作，工作时效率较高；3）系统对燃料电池的动态响应性能要求较低；4）汽车的冷起动性能好；5）实现制动能量的回馈。缺点：1）动力电池使整车质量增加，动力性和经济性受到影响；2）动力电池充放电过程会有能量损耗；3）系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。采用FC+B的双动力源结构的主要原因：1）当前燃料电池的动态性能欠佳，而汽车的而工作状态总是在较大的范围内动态变化，燃料电池不能随时满足汽车的功率需求，增加辅助电池可以起到快速调节功率的作用。2）燃料电池最佳负荷率在额定功率20%~40%的范围内，为了实现整车能量效率最佳，增加辅助电池调节燃料电池的功率输出，可使其工作点尽量保持在效率最佳的范围内。3）目前燃料电池的成本还很高，从降低整车价格的方面来考虑，适当减小燃料电池的额定功率，用辅助电池来弥补不足的功率输出，可以在一定程度上降低整车成本。FC+C型燃料电池电动汽车优点：寿命长和效率高，可以大大降低使用成本，有利于燃料电池汽车的商业化推广。FC+B+C型燃料电池电动汽车优点：燃料电池能量输出较为平缓，随时间变化波动较小，能量需求变化的低频部分由动力电池承担，能量需求变化的高频部分由超级电容承担。缺点：增加超级电容，整个系统的质量将可能增加；系统更加复杂化，系统控制和整体布置的难度也随之增大。燃料电池汽车不同动力驱动系统结构特性比较动力系统结构FC单独驱动FC+B能量混合型FC+B+C功率混合型结构特点结构最简单无法实现制动能量回收结构较为复杂动力电池质量、体积较大结构复杂动力电池质量、体积较小燃料经济性最差较优最优燃料电池寿命与安全性当汽车功率需求较大时，燃料电池易发生过载，难以满足动态响应要求，系统寿命较短当汽车功率需求较大时，燃料电池发生过载概率小，系统寿命长汽车功率需求较大时，燃料电池可控制在最高效率点恒功率输出