第六章 燃料电池电动汽车

第六章燃料电池电动汽车第一节概述第二节燃料电池电动汽车燃料系统第三节燃料电池电动汽车供氢系统第四节燃料电池电动汽车氢安全系统第五节燃料电池电动汽车的主要系统设计2020/5/102020/5/10第一节概述一、燃料电池电动汽车分类１.纯燃料电池驱动(PFC)的FCEV纯燃料电池驱动的电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。纯燃料电池驱动的电动汽车的动力系统如图６-１所示。第一节概述２.燃料电池与辅助蓄电池联合驱动(FC+B)的FCEV燃料电池与辅助蓄电池联合驱动的燃料电池电动汽车的动力系统如图６-２所示。第一节概述３.燃料电池与超级电容联合驱动(FC+C)的FCEV“燃料电池＋超级电容”的结构与“燃料电池＋蓄电池”结构相似，只是把蓄电池换成超级电容。相对于蓄电池，超级电容充放电效率高，能量损失小、功率密度大、在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长、但是超级电容的能量密度较小。４.燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动(FC+B+C)的FCEV燃料电池与蓄电池和超级电容联合驱动的电动汽车的动力系统如图６-３所示，该结构也为串联式混合动力结构。第一节概述目前燃料电池电动汽车动力系统的一般结构是ＦＣ＋Ｂ组合，这是因为它具有以下特点:(１)燃料电池单独或与动力电池共同提供持续功率，且在车辆起动、爬坡和加速等峰值功率需求时，动力电池提供峰值功率。(２)在车辆起步时相功率需求量不大时，蓄电池可以单独输出能量。(３)蓄电池技术比较成熟，可以在一定程度上弥补燃料电池技术上的不足。二、燃料电池电动汽车基本结构燃料电池电动汽车动力系统的布置如图６-４所示。第一节概述１.直接燃料电池电动汽车典型的直接燃料电池电动汽车动力系统的基本构成如图６-５所示。第一节概述１)燃料电池系统燃料电池系统的核心是燃料电池堆，此外，还配备了氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、水循环及反应物生成处理系统等，用以确保燃料电池堆正常工作。２)辅助蓄能装置燃料电池电动汽车配备辅助蓄能装置的作用是:(１)在燃料电池电动汽车起动时，由辅助蓄能装置提供电能带动燃料电池起动或带动车辆起步；(２)在燃料电池电动汽车运行过程中，当燃料电池输出的电能大于车辆驱动所需的能量时，辅助蓄能装置可用于储存燃料电池剩余的电能；(３)在燃料电池电动汽车加速和爬坡时，辅助蓄能装置可协助供电，以弥补燃料电池输出功率的不足，使电动机获得足够的电能，产生满足车辆加速和爬坡所需的电磁转矩；(４)向车辆的各种电子设备、电器提供工作所需的电能；(５)在车辆制动时，将驱动电动机转换为发电机工作状态，将车辆的动能转换为电能，并向辅助蓄能装置充电，以实现在车辆制动时的能量回收。第一节概述３)驱动电动机驱动电动机用于将电源所提供的电能转换为电磁转矩，并通过传动装置驱动车辆行驶。４)电子控制系统直接燃料电池电动汽车的电子控制系统包括燃料电池系统控制、ＤＣ/ＤＣ转换器控制、辅助储能装置能量管理、电动机驱动控制及整车协调控制等控制功能，各控制功能模块通过总线连接，如图６-６所示。第一节概述２.重整燃料电池电动汽车１)动力系统的构成重整燃料电池电动汽车动力系统的基本组成如图６-７所示。第一节概述２)重整燃料电池氢气产生的过程(１)车载醇类制氢过程:醇类燃料(甲醇、乙醇、二甲醚等)的车载制氢过程大体相同，均需经重整、变换、一氧化碳脱除等几个步骤。以甲醇为燃料的车载制氢过程如图６-８所示。第一节概述(２)车载烃类制氢过程:烃类燃料(汽油、柴油、ＬＰＧ及天然气等)制氢通常包括氧化重整、高温变换、脱硫、低温变换、ＣＯ净化及燃烧等过程。以汽油为燃料的车载制氢过程如图６-９所示。第一节概述３)重整燃料电池电动汽车的优缺点使用车载重整器制氢的燃料电池电动汽车，其主要优点是燃料存储方便，只需要普通的容器，不需要加压或冷藏。但是，车载重整器制氢也存在着一些问题，主要有:(１)燃料电池系统起动时间较长，动态响应较慢。当然，对于配备辅助蓄能装置的重整燃料电池电动汽车来说，辅助蓄能装置可很好地解决这一问题。(２)重整装置不仅需要复杂的控制过程，而且其体积和质量会减少车辆可利用的空间增加更多的能量消耗。(３)当制取的氢气纯度不高时，可能会使催化剂中毒并产生一些污染。第二节燃料电池电动汽车燃料系统一、燃料电池电动汽车对燃料电池的基本要求(１)燃料电池的比能量不低于150~200/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。(２)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。(３)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。(４)FCEC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。(５)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。(６)燃料添加方便、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。(７)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。第二节燃料电池电动汽车燃料系统二、以氢为燃料的燃料电池发动机系统图６-１０为以氢气为燃料的燃料电池发动机系统。第二节燃料电池电动汽车燃料系统(１)氢气的储存方式有低温、高温液化氢，高压气态氢气和储氢合合储存的氢气。(２)氧气供应系统的泵、管道、阀门和控制装置等，也需要与氢气储存装置具有相同的密封性能。氧气供应系统府能实现自动控制。(３)产出物管理系统中主要是对水、热量的管理，水采用循环系统管理，热量用于预热和暖气。(４)电气系统包括动力ＤＣ/ＤＣ转换器、逆变器和各种控制开关等。第二节燃料电池电动汽车燃料系统三、以甲醇为燃料的燃料电池发动机图６-１１为以甲醇为原料的燃料电池系统。第二节燃料电池电动汽车燃料系统１.燃烧器、加热器和蒸发器２.重整器１)重整器的工作原理(１)甲醇在蒸气重整器中的化学反应。①分解反应:分解反应是一个吸热反应过程，分解反应需要在621℃的高温下进行，高温可以使得催化剂加速分解反应，分解反应如下:②转化反应:转化反应是一个轻微的放热过程，要求在200℃左右的高温下进行，若H2O对CO的比例越高则反应越完全。转化反应如下:③总的重整化学反应:甲醇在蒸气重整器中总的重整化学反应如下:第二节燃料电池电动汽车燃料系统(２)醇在部分氧化重整法下的化学反应。甲醇在部分氧化重整法中转化反应时，反应在982℃的高温下进行。甲醇在高温作用下分解，其中碳原子与空气中的氧作用后生成CO2，氢气则从甲醇中单独分离出来。甲醇在部分氧化重整法中的化学反应为:(３)甲醇在废气重整法中的化学反应。①燃烧反应过程:②重整反应过程:③废气燃烧过程:第二节燃料电池电动汽车燃料系统２)重整器的特点(１)加速重整器的动态响应(２)BrainBamett公司研发的汽油重整器，热效率达到85％，重整后的氢气含量约为50％，含CO约为0.5％，然后通过净化器将CO的浓度降低到0.001％~0.005％，可用于新型质子交换膜燃料电池中。(３)在质子交换膜燃料电池中减少催化剂铂(Ｐｔ)的用量，提高催化剂的寿命，开发耐CO的新型催化剂材料，可以提高重整器的效率和寿命，以及降低重整器成本。３.氢气净化器净化器控制模块应根据不同的催化剂，以使参加反应的气体中CO的含量不超过规定值。采用甲醇经过重整后所获得的氢气作为燃料时，燃料电池的效率为40％~42％。第三节燃料电池电动汽车供氢系统一、氢的基本性质氢的各种性质决定了它是一种非常好的能量载体，具有如下特点:(１)质量能量密度高，使用方便；(２)资源丰富，制取方法多，可获取性大；(３)可以大量存储和长距离运输；(４)清洁能源二、氢的制备方法１.化石燃料的转化主要方法有:(１)天然气或石油气裂解制取氢是现在大规模工业制氢的主要方法；(２)焦炭或白煤制氢(水煤气法)；(３)甲醇制氢第三节燃料电池电动汽车供氢系统化石燃料制氢是制氢的主要方法，途径很多，表６-１列出了可供选择的途径。在表６-１中，也列入了氨、肼等化学原料的制氢方法第三节燃料电池电动汽车供氢系统２.水电解制氢纯水是电的不良导体，所以电解水制氢时要在水中加入电解质来增大水的导电性。在实际生产中采用的是镀微量铂的镍电极或镀镍的铁电极，电解时两电极之间的电压约为１.５Ｖ，电解水的电解装置主要分为槽式和压滤式两种。３.含氢工业尾气回收氢从合成氨、炼油厂等大型工业排放气中可以回收氢。４.可再生资源制氢技术可再生资源制氢技术主要包括生物质制氢、太阳能光解制氢、城市固体废物气化制氢等技术。５.车载制氢技术可用于车载制氢的燃料可以是醇类(甲醇、乙醇、二甲醚等)、烃类(、柴油、甲烷、液化石油气ＬＰＧ等)，其他类型的物质也可以作为制氢原料，如金属或金属氢化物等。第三节燃料电池电动汽车供氢系统三、氢分离纯化技术提取纯氢气主要有三种方法，即深冷分离法、变压吸附法(ＰＳＡ)和膜分离法。表６-２比较了这三种分离方法的技术特点及应用范围。第三节燃料电池电动汽车供氢系统四、氢的输配在当前的技术发展状况下，中短期内可以采用的氢生产、储存和运输的方法主要有如下几种:１.采用天然气为原料重整制氢图６-１２和图６-１３为天然气重整制氢的输配流程图，其中图６-１２为车船输配方式，图６-１３为管网输配方式。第三节燃料电池电动汽车供氢系统第三节燃料电池电动汽车供氢系统２.从化工厂或炼油厂的副产品尾气中获取氢气可从化工厂或炼油厂的副产品尾气中获取，进行分离纯化后，通过车船或管网等方式运到加氢站，为车辆进行液氢加注或高压氢方式加注。３.电解水制氢一般有两种方式:一种是采用电解水制氢站方式生产氢，就地储存加注；另一种是由专业的电解水制氢工厂生产氢气，通过车船或管网等方式运到加氢站。第四节燃料电池电动汽车氢安全系统一、燃料电池电动汽车氢安全控制系统氢安全报警处理系统的电气原理框图如图６-１４所示。第四节燃料电池电动汽车氢安全系统二、燃料电池电动汽车车库的氢安全系统１.车库氢安全控制系统车库氢安全报警处理系统的电气原理框图如图６-１５所示第四节燃料电池电动汽车氢安全系统２.燃料电池电动汽车防静电设施燃料电池电动汽车车体底部设有接地导线。这些接地导线可以将加氢时及汽车行驶过程中产生的静电泄放回大地，以保证整车的安全。３.燃料电池电动汽车防爆措施燃料电池电动汽车上的氢检测传感器均选用防爆型，氢安全处理系统中所用的继电器选用防爆固态继电器，一方面可以避免继电器动作时产生电弧，另一方面可以防止机械式继电器由于客车行驶中的振动引起误动作。当氢安全系统报警时，汽车上严禁使用电源插座、接触器、继电器以及机械开关等可能引起电弧的用电装置，以确保安全。燃料电池电动汽车存有氢气时，车内严禁进行电焊等可能引起火花、电弧的操作。第四节燃料电池电动汽车氢安全系统４.燃料电池电动汽车氢安全操作规程(１)严禁在车库内对燃料电池电动汽车进行大规模的加氢操作；(２)发动机起动前，对管路的气密性检查；(３)调试及发动机起动前用氢气吹扫管路。调试时必须由专人配备便携式氢浓度探测仪检查氢泄漏情况；(４)雷雨天气禁止做氢气系统调试及实验；(５)任何工作人员发现安全问题有权要求停止调试等。５.氢安全标准和规范有关燃料电池电动汽车氢安全的研究工作必须引起研究人员的重视，以适应氢燃料电池电动汽车研究和推广应用不断发展的迫切需求。第五节燃料电池电动汽车的主要系统设计一、燃料电池系统如图６-１６所示，燃料供给与循环系统在提供燃料的同时循环回收阳极排气中未反应的燃料。第五节燃料电池电动汽车的主要系统设计二、车载储氢系统１.压缩氢气形式图６-１７所示的是某种燃料电池大客车储氢气瓶的布置方式。第五节燃料电池电动汽车的主要系统设计２.液态氢形式车载液态氢储存罐如图６-１８所示。第五节燃料电池电动汽车的主要系统设计３.金属储氢形式相比于高压储氢罐储氢方式，金属储氢的特点如下:(１)单位体积的储氢容量有所提高，但