燃料电池综述

燃料电池汽车综述摘要：随着能源供应的制约及环境压力不断显现，对人类未来主导能源的争论和研究不断深入。氢经济不但在能源和环境方面带来革命性改变，也对传统的汽车基本构造和技术打开了新的思路。燃料电池汽车采用氢气作为燃料，利用氢气和氧气的化学反应产生电能作动力，因而被誉为“绿色汽车”。燃料电池的广泛应用有助于节约燃料以及减少大气污染，被称为是未来汽车发展的方向。本文围绕现代汽车面临的能源危机、环境危机等问题对氢动力燃料电池汽车的产业背景、发展状况、工业影响进行了全面的分析，以及对其基本知识进行了论述。主要对以氢作为汽车燃料的动力性、经济性进行了讨论；对氢的相关知识进行了解说以及对氢燃料电池的构造原理以及优缺点进行了论述；对燃料电池汽车的构造原理、关键技术、安全系统等进行了概述，并综合分析了氢燃料电池汽车的产业前景和国内外发展状况；最后，对氢燃料电池汽车的发展进行了总结和展望。关键词：燃料电池汽车；燃料电池；应用1简介汽车是石油资源的主要消耗源，也是造成城市空气污染的主要原因。化石燃料总有一天会枯竭，只有开发替代能源汽车是唯一的出路，目前正在发展中的新能源汽车主要有纯电动车、油一电混合动力汽车、替代燃料内燃发动机汽车、氢燃料电池电动车几类。纯电动车采用动力蓄电池作为汽车动力源，动力蓄电池主要有铅酸电池、锂离子电池、竦氢电池等几类。油一电混合动力汽车是内燃机汽车向电动汽车过渡中的一个合理选择，此过渡过程经预测可能需要20年以上。替代燃料内燃发动机汽车使用的天然气、柴油（包括液化柴油和煤液化柴油）、甲醇、二甲醚等替代燃料，仍属于不可再生的化石能源，无法彻底解决内燃发动机排放污染的问题。2燃料电池汽车燃料电池汽车（FuelCellVehicle，简称FCV）是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。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，直接变成电能或的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆其最大特点是能量转换效率高，可达到60%以上；另外，它还具有燃料多样性、排气清洁、噪声低、对环境污染小、可靠性及维修性好等优点。因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。与传统汽车相比，燃料电池汽车具有的优点：1） 零排放或近似零排放。2） 减少了机油泄漏带来的水污染。3） 降低了温室气体的排放。4） 提高了燃油经济性。2.1构造燃料电池汽车整体上基本与普通内燃机汽车相同，主要不同之处为：用氢气储存器储存的氢气，或用甲醇、汽油等燃料经重整转换为氢气的氢气燃料系统，替代内燃机的汽油燃料系统或柴油燃料系统；用燃料电池产生的电力替代内燃机产生的机械传动系统。2.2原理及特点它是一种将储存在燃料（氢）和氧化剂（氧）中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置，其过程不涉及燃烧，无机械损耗，能量转化率可高达80%，产物仅为电、热和水蒸气；而且FC运行平稳，无振动和噪音，所以被认为是21世纪的绿色能源。此技术在汽车上的应用给汽车产业发展带来了革命性的突破，同时也推动了自身的发展。FC可以用作汽车的（辅助）动力电源，也可以用作辅助电源（APU）。它不同于传统汽车，其动力来自FC,而不是内燃机，可以减少燃料消耗，产生更少的污染物排放，当以氢作燃料时，能真正实现汽车的“零排放”，因此更符合人们的经济环保观念。此外，在能量耗尽后，FCEV不像传统的蓄电池电动汽车（BEV）那样需要长时间充电，而只需补充燃料即可继续工作，这一点对汽车驾驶者来说尤为方便。当FC用作APU时，汽车使用内燃机驱动，部分燃料通过FC更有效地转化为电能，它可以为汽车辅助设备提供足够的功率，使汽车变得更舒适、更环保、更安全。2.3燃料电池车的动力系统氢燃料电池车是利用燃料电池发出的电力驱动电动机，带动汽车行驶，所以，它是一种电动汽车。一次加氢后，燃料电池车能跑的里程取决于车上所携带的氢气的数量，而燃料电池车的动力特性，如能跑多快、能爬多陡的坡，则主要取决于燃料电池动力系统的功率及匹配。燃料电池车的动力系统可分为以下三种情况：1） 全燃料电池，即汽车的动力全部来自燃料电池；2） 燃料电池和电池（或超级电容器，或飞轮等储能设备）的混合系统；3） 燃料电池和内燃机组成混合系统。燃料电池车的基本设计思想是尽量采用小功率燃料电池，并添置辅助动力源，既降低车的成本，又改进车的加速、爬坡等性能。采用燃料电池发动机作为汽车的动力之后，汽车结构会发生重大变化，没有了常规的发动机、离合器、传动轴、万向轴等，汽车的机械零件将被大大简化。化学工业和电子工业在汽车制造中将扮演重要角色。所以有人认为燃料电池汽车是汽车工业的第二篇章。燃料电池车与其他替代燃料车相比，具有明显的优越性：洁净无污染，SO、NO和颗粒物接近零排放，也不产生CO，唯一的排放物是水。图1给出使用各种不同燃的汽车的排放比较，显然，燃料电池车是最环保的，其排放接近零。燃料电池发动机的噪声低，有资料指出柴油公共汽车在48km/h时噪声达80分贝，WP3燃料电池发动机在48km/h时的噪声仅72分贝，可见燃料电池发动机的噪声要比普通的内燃机小得多。3燃料电池汽车开发中的关键技术燃料电池电动汽车是汽车、电力拖动、功率电子、自动控制、化学电源、计算机、新能源及新材料等工程技术中最新成果的集成产物。因此，燃料电池电动汽车的开发和产业化需要解决诸多关键技术，如：燃料电池、电动机控制、车身和底盘设计、电控动机、测试技术及系统优化等。3.1驱动电机技术为了使车辆一次加够燃料（氢）后行驶更多里程，以及最大限度地利用氢能源以及尽可能减小车辆改装后的整备重量。这就要求电力驱动系统有高的效率和功率重比。驱动电机应向着大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。当前驱动电机主要有感应电动机（IM）和永磁无刷电动机（PMBLM），特别是永磁无刷电动机具有较高的功率密度和效率、体积小、惯性低和响应快等优点，在电动汽车方面有着广阔地应用前景。在设计和选择驱动电机时应保证电机的转矩，转速特性与整车负载特性匹配良好，电机转矩的动态性能好，以及恒速、恒功率和变工况都应有较高的效率。3.2车身和底盘设计技术燃料电池动力总成包括：氢气罐总成、蓄电池总成、燃料电池堆总成、动力输出系统总成等。其中，储氢罐一般放置于底盘的中部或后排座椅的下方空间（传统内燃机轿车的油箱位置），将氢气罐分散存储。除了燃料电池动力总成外，对汽车制动总成、前后悬架总成及轮胎等方面也应作相应的调整和测试。特别是随着轮毂电机技术的发展，使燃料电池汽车在电动机的放置有了新的选择，增大了汽车内部空间。而各电动轮的驱动力也可直接控制.提高恶劣路面条件下汽车的行使性能。底盘布置应把绝大多数的负载均匀分配在底盘的前后端，降低车辆的总体重心，使轿车具有良好的操控性能，并改善车辆的整体安全性。由于燃料电池电动汽车具有通过电线传递动力、动力生成装置结构变化多样和各总成部件布置不受机械装置限制等特点，因此给其车身和底盘设计留有更大的空间，以减小整车的行驶阻力系数，提供舒适的乘座空间和较好的主（被）动安全性能。3.3电子控制技术与传统汽车相同，电子控制在燃料电池汽车的发展中也将起着越来越重要的用。汽车的各种操纵系统都会向着电子化和电动化的方向发展，实现“线操控”，即用导线代替机械传动机构，如：“导线制动”、“导线转向”等。现有的12V动力电源已满足不了汽车上所有电气系统的需要，42V汽车电气系统新标准的实施，将会使汽车电器零部件的设计和结构发生重大的变革，机械式继电器、熔丝式保护电路也将随之淘汰。同时，燃料电池的特性有其自身的特点：1）电低压，电大流；2） 输出电流会随温度的升高而升高，输出电压会随输出电流的增大而下降;3） 从开始输出电压、电流到逐渐进入稳定状态，停留在过渡带范围内的态反应时间较长。正是由于以上特点，大多数电器和电机难以适应其电压特性，所以必须和DC/DC变换器和DC/AC逆变器配合使用，需要对燃料电池系统进行大量的功率调节以保证电压的稳定。3.4测试技术在燃料电池发动机测试系统中，需要采集的测量参数包括流量、电压、电流、温度、压力、湿度、浓度、转速和扭矩等要采集如此多的测量参数，就需要对数据采集系统的设计进行全面考虑。燃料电池发动机测试系统主要包括加载装置和数据采集处理系统两部分。加载装置要按照一定的测试规范要求给燃料电池发动机加载，使发动机可以工作在各种给定的工况下。同时还要为发动机提供一定的保护措施。测试对象为车用动力的燃料电池发动机.为了使测试工况及发动机负载与真实情况相符，所以应该采用一套与实际动力系统相近的加载装置.采用DC/DC变换器一电机〜测功机作为燃料电池发动机的加载装置比较合理。通过对数据采集处理软件的需求分析，得到了软件的功能要求；再将这些功能进行归纳和整理，得到了测试系统软件功能分解。燃料电池发动机测试系统的功能要求比较复杂，采用面向对象程序设计方法按照人们正常的思维习惯建立问题域模型，软件设计自然地表现为问题域求解方法。抽象数据类型、数据封装以及继承等特点使得软件体系结构稳定，可重用性好，便于维护和扩充，大大提高了软件开发效率。3.5整车系统优化技术燃料电池电动汽车的整车系统是一个涉及多学科技术的复杂系统，其性能受到多学科相关因素的影响。因此，必须在充分考虑各影响因素的基础上.对整车系统进行优化，可以改进燃料电池电动汽车性能和降低整车的设计和制造成本。整体化设计理念中，材料的轻量化和空气动力学的充分利用被放在了最重要的位置。因为汽车在行驶过程中。燃料消耗所产生的能量中只有一小部分是真正被用来推动汽车和乘客的，大部分的能量都通过热量的损失、滚动阻力、空气阻力及控制系统的低效率等被消耗掉。其间。汽车本身的质量和空气动力学因素起着很重要的作用。在整体化设计过程中，强调质量的减轻是轻量化的车身只需要更轻的底盘组件，更小的动力总成，而一些组件的相互联系和组合，不但可以减少体积重量，甚至可以摒弃原先组件，进一步减小系统的质量。4存在问题1） 固体高分子质子交换膜燃料电池（PEMFC）还需要贵金属铂作为催化剂，它不仅价格昂贵，而且产量小。目前世界铂金的年产量仅70吨，按现在燃料电池的用量计算，仅够30万辆左右的汽车使用。因此，必须研究出铂金的代用材料，方有可能大量推广使用。2） 氢气的来源、储存以及将燃料（石油、天然气、煤、甲醇及其它非石油基燃料）转为氢气的重整器问题尚未解决。特别是重整器，它是一个小化工厂，要求体积小、重量轻、安全可靠，适宜车上安装，且价格便宜，其难度更大。3） 防止CO对燃料电池电极的毒化作用。在氢燃料中即使有微量的CO、都会显著降低催化活性，使电池性能急剧下降。因此，必须严格控制CO数量。4） 燃料电池工作时水分的调节控制。在工作中，水分过多或过少，都将大大影响燃料电池的性能。因此，必须将水分严格控制在一定范围内。5） 价格问题。目前的燃料电池价格虽有大幅度的下降，但还是太高，目前大约要（500美元/kW）以上，目标要求达到30〜50美元，才有可能与目前的内燃机竞争。5燃料电池汽车的防火安全燃料电池车自身的防火安全可从氢供应系统、整车用氢系统及车库安全等来考虑，以防泄漏、防静电、电气防爆为主。5.1供氧系统的防火安全1）所有储氢瓶、管道以及阀件均应适用于氢介质，储瓶、管道及阀件所能承受的压力留有足够的安全裕量。储氢瓶的安装符合相关国家规范的安全要求，高压氢气连接管应采用质量符合国家标准的无缝不锈钢管。2） 安装前并组管路需经过30MPa水压实验和2OMPa气密检查实验后才进行总体安装。总装结束后，对整车氢供应系统进行两次气密性检查，在储氢瓶的出口处有过流保护装置，当管路或间件产生氢气泄漏使氢气流量超过燃料电池发动机需要最大流量的2O时，过流保护装置会自动切断氢气供应。3） 需在储氢瓶的总出口设计一个电磁阀，在探测到氢气泄漏或处于其他危险情况时可切断供氢系统。5.2整车用氢系统的防火安全整车用氢安全系统主要从防氢气泄漏及报警、防静电等方面着手，电气控制系统应包括氢泄漏监测及报警处理系统、车体防静电接地、车内部件防爆电气设计等。1） 氢泄漏监测系统安装在车顶部的储氢瓶舱、乘客舱、燃料电池发动机舱以及催化燃烧型传感器附近，传感器实时检测车内的氢含量，当有任何一个传感器检测到的氢体积分数超过氢爆炸下限（空气中的氢体积分数为4）的10、30和50时，监控器会分别发出I级、II级、III级声光报警信号。报警处理系统在接收到I级报警信号时，应启动声光报警系统；同时通过声光报警通知司机有氢气泄漏，关闭氢供应系统中氢气瓶组出口的电磁阀，并采取其他相应的处理措施。2） 燃料电池车车体底部应有多处接地线，以防止静电积聚。3） 燃料电池车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，车体严禁使用电源插座、接触器、继电器以及机械开关等可以引起电弧的用电装置，严禁进行电焊、砂轮磨削等可以引起火花、电弧的操作。5.3车库的防火安全车库的安全可从防氢气积聚及防静电等方面考虑。1）车库内防止氢气积聚的措施主要包括氢泄漏监测及报警处理系统，送、排风设施等。车库内氢泄漏监测系统可实时检测内的氢体积分数，当有任何一个传感器检测到的氢体积分数超过氢爆炸下限（与车上标准相同）时，监控器会发出报警信号。同时自动打开车库上部的进气窗，并开启车库顶部的排风机排风，以排出氢气。2）车库使用的灯具、排风机电机以及氢检传感器均选用防爆型。3）车库内严禁使用电源插座、接触器、继电器以及机械开关等可以引起电弧的用电装置，严禁进行电焊、砂轮磨削等可以引起火花、电弧的操作。6燃料电池汽车热管理系统介绍FCV热管理系统包括制冷系统和冷却水系统。该系统由压缩机、一级冷凝器、二级冷凝器、带温度调节装置的膨胀阀、蒸发器、冷却风扇、制冷剂管路等组成。与前期设计不同的是，该系统增加了二级冷凝器。一级冷凝器与二级冷凝器串联以实FCV空调系统散热量大的要求。冷凝器的散热采用空冷式散热，一级冷凝器增加了一个高压风扇，二级冷凝器自带风扇。制冷系统是一个密封的循环系统，其中充有制冷剂R134a。黑色管路中走的是液态制冷剂，白色管路中走的是气态制冷剂。冷却水系统分为FCE和PCU冷却水循环系统。FCE的冷却水经水泵直接进入FCE主、副散热器，经散热器冷却后进人燃料电池［FC），带走FC的热量后又进入水泵进行循环。要注意的是FCE水冷却循环系统要求高压水先经过FCE散热器降压后再进入FC，这是因为目前FC内部所能承受的压力较低，一般在52.5〜157.5Pa，对于能够承受315Pa水压的Fc可以采用高压水直接进入Fc的冷却系统。PCU的冷却水经水泵后分别进入?。。和空压机为其散热，其中从PCU出来的冷却水又进入驱动电机为其散热，然后从空压机和驱动电机出来的冷却水进入暖风散热器，或经过暖风旁通阀直接回流。根据回流冷却水的温度情况，冷却水经过PCU旁通阀直接进入冷却水泵进行循环，或冷却水经过PCU散热器降低温度后再进入冷却水泵进行循环。7燃料电池汽车的产业前景当今，燃料电池汽车已经不再是大学和企业试验室中的概念，燃料电池汽车的开发研究，已经进入了实用化的初级阶段，在日本以及其它世界汽车工业强国中正在成为竞争的焦点，并将最终决定谁是21世纪世界汽车工业的霸主。企业界、科技界对燃料电池以及燃料电池汽车的发展比较乐观，政府官员则偏于保守。企业界认为，今后2-3年为知识的普及阶段，5-10年为燃料电池的普遍使用阶段。科技人员认为，5-10年后可以得到广泛运用。日本燃料电池协会认为，5-10年后进入应用期，10-20年后普及。日本石油联盟自动车燃料协会认为，8-15年后普及。政府官员则认为，正式普及要20年后，30年后可以广泛运用。西方某些大汽车公司认为，2005年燃料电池汽车就可以正式投入商业性销售。丰田汽车公司从比较稳妥的角度（考虑到目前石油价格、燃料电池汽车成本、技术成熟以及支持其运行的社会基础设施）出发，认为到2010年燃料电池汽可以批量生产和销售。虽然燃料电池汽车技术有了很大进步，但由于