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CH3OH3.2.1.1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131FCEV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H2，在阴极上提供O2，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，O2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。

阳极：阴极：O总的化学反应式：22FCEV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。2.3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n-1,12鳖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6)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。3.1.2液化氢气液化氢气具有最高储存密度，但需要采用高压一超低温技术来保持氢气呈液态。液态氢气的温度保持在一253oC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7)，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。3.1.3储氢合金储存的氢气氢吸附合金有：FeTiH2、MgH2、LaNi5H6、NaBH。、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的压力下压人氢气，在使用时加热将氢释放出来。美国ECD(EnergyConversionDevices)公司所开发的镁基吸附合金，氢的储藏量可达到3500mL。戴一克汽车公司采用世纪电池公司MillenniumCell开发的NaBH4氢吸附合金安全可靠，一次充氢后续驶里程达至U483km。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8所示。3.1.4氢气燃料的特点3.1.4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。．IN储氢合金一次充氢的行驶里程可达400km左右。3.1.4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。3.2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。3.2.1甲醇C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。3.2.1.1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，氢一碳比例最高，没有难以分离的碳一碳原子共价键，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。3.2.1.2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。3.2.1.3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(<300oC)，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。3.2.1.4甲醇燃料的缺点a．用甲醇制氢的制造装备复杂。：(EFCEV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COz、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Hz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℃3.2.2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。3.2.2.1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。3.2.2.2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3.3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。4各国燃料电池汽车开发概况4.1美国美国能源伙伴公司(EnergyPartnerCo．)于l991年研制出15kW质子交换膜燃料电池，装在命名为“EPGreenCar”的汽车上作动力，它是使用氢和空气作反应剂，采用燃料电池和蓄电池组成的混合电源。燃料电池动力输出功率15kw，标称电压l25V，电流120A，汽车时速从0到30km的加速时间为10s，行程达60km。1994年，该公司还研制了采用质子交换膜燃料电池作动力的高尔夫车，功率7．5kW，该车最大时速15km，行程达72km。美国通用汽车公司在1998年展出了第一辆质子交换膜燃料电池车Zafira，采用甲醇重整供氢，时速可达75km，从0至60km／h加速时问只需2Os；接着该公司又开发出几种新型燃料电池汽车，其中使用液氢燃料电池的零排放概念车“氢动一号”，加速快，操作灵活，从0至100kIn／h加速仅16s，最高时速可达140km，续驶里程4O0km。2004年“通用汽车公司”的燃料电池车HydroCen3改型，完成了近万公里的马拉松测试。2007年，通用汽车公司的1O0辆雪佛兰Seguel氢燃料电池车分别在加州西部、纽约州及华盛顿州试用。在中国，该公司与上汽合作的“氢动3号”HvdroGen3已经开始示范运行。2004年5月，美国“戴姆勒～克莱斯勒公司”生产的3辆燃料电池公共汽车，在北京街头做商业化示范，把参加“第二届国际氢能论坛”的与会代表送达人民大会堂会场。截至2005年9月，该公司生产的2O0辆燃料电池汽车相继出现于欧洲及美国、日本和新加坡的街头。戴姆勒一克莱斯勒公司推出的NECAR5燃料电池动力汽车，是该公司开发的第5代燃料电池汽车。它由Ballard燃料电池驱动系统带动，该系统包括车载甲醇重整器。该车于2002年在美国已完成了约4800km的行车试验。4.2日本日本丰田公司在1996年推出了使用金属氢化物为燃料的燃料电池动力汽车。2OO2年推出的FCHV使用高压氢为燃料。该车以每月1万美元的价格租了6辆给美国大学，10辆租给日本地方政府。然而在2003年3月，该公司召回了其出租的6辆燃料电池汽车，并宣布推迟另外6辆燃料电池汽车的租赁，原因是贮氢燃料的高压氢气罐在加注氢气时出现了泄漏。日本本田公司从20o0年开始采用了燃料电池与超级电容器组合起来的混合动力汽车。日本政府从2O02年开始以每月每辆6500美元的价格租用这45种燃料电池混合动力汽车。4.3加拿大加拿大巴拉德公司是从事质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术研究和开发的世界先驱。正是由于该公司首先采用美国D0w公司的全氟磺酸型质子交换膜研制成功了H2/O2质子交换膜燃料电池，才促成了世界各国汽车公司投巨资开发燃料电池汽车。1992年巴拉德公司开始研制电动车辆用PEM。FC动力系统，1993年制出样车，采用该公司开发的12Okw质子交换膜燃料电池组，使用压缩氢做燃料，行驶速度95k4.4中国(1)中国863燃料电池公交车计划20O1年国家十五“863”电动汽车重大专项“燃料电池城市客车整车技术的研究与开发”项目正式启动。2o02年底完成第一代城市客车“清能一号”装车试验并运行成功。2O03年9月完成了第二代城市客车装车运行。燃料电池发动机累计运行200h，行驶距离超过2000km，最高时速为63km。2O04年4月采用“神力公司”的100kW2000年，大连化学物理研究所研发出第一台PEMFC发动机，2001年与其它单位合作组装了一台燃料电池中巴(车上同时还有铅蓄电池)，不久后又组装了一台30kW的燃料电池中巴车。(2)燃料电池轿车2001年，北京开发出“绿能一号”燃料电池轿车。装载第一代燃料电池发动机的“超越一号”于2003年8月在上海问世。2O03年12月，上海神力公司与上海交通大学联合开发出第二代燃料电池轿车“超越二号”，并试装桑塔纳3ooO型车身，整个试装过程在2Oo4年5月完成。该车发动机输出功率32kw，整车加速时间24．8s，行驶里程168km，最高时速ll8km，爬坡度20％。第二代燃料电池动力系统与第一代系统相比更加灵巧和有力，总重量减少到320kg，轻了1O0kg多，体积缩小30％以上，功率则提升了2O％～25％。接着在20o6年完成了“超越三号”燃料电池轿车，其最高时速达到120km，一次充氢可行驶230km，比“超越二号”延长很多。2006年12月“上海牌”燃料电池轿车的样车问世，从0到lO0km/h的加速时间只要15s，其最高时速达到150kln，h，一次充氢行驶路程达300km。2oo6年8月，由中国科学院大连化学物理研究所等单位自主研发的两辆燃料电池观光示范车在大连运行。该车燃料电池输出功率5kW，贮氢容器为碳纤维增强金属瓶。该车每天运行5h，计划运行(3)中国燃料电池商业化示范项目中国燃料电池商业示范项目是由中国政府、全球环境基金(GEF)和联合国开发计划署(UNDP)共同支持的“中国燃料电池公共汽车示范项目”，由中国国家科技部、北京市、上海市共同组织实施。总投资3200万美元。实施该项目的目的是为了降低燃料电池公共汽车的成本，借助在北京和上海两市同时进行的燃料电池公共汽车和供氢设施的示范，加快其技术转化。该项目启动会于2003年3月27日在北京召开。项目的远期目标是推动燃料电池公共汽车在中国产业化和推广应用，减少空气污染和温室气体排放。实施该项目，北京市和上海市各采购65燃料电池汽车离商品化还有多远从国内外燃料电池汽车的研发概况可以看出，虽然H2/O车用燃料电池系统使用寿命太短一般说来，私人小轿车要求燃料电池使用寿命达到5000h以上；卡车和公交车要求燃料电池使用寿命达至05000h～10000h同。巴拉德公司在试验室内用纯氢做电池寿命试验，经过9000h的考验，平均电压下降速度只有4mV／(1000h)，因而预测电池寿命可以达到20000h，但实际上的电池使用寿命也只有2200h，只达到预测的1／10。荷兰设计的PEMFC可以连续工作40000h，但在汽车上应用，使用寿命只有3000h，不到电池设计寿命时间的1／10。我国燃料电池使用寿命只有1500hf，上海神力公司开发的城市大巴发动机中用的燃料电池堆模块已经通过2000h的稳定可靠性试验，性能下降不超过l0％，但实际运行却只有200h。造成燃料电池系统使用寿命只有设计寿命的1／10这么大差距的根本原因，就在于实验室寿命试验是在严格的条件下进行的：电池的输出是恒定的；电池本体的温度、湿度、排热、排水是稳定的；氢源和氧源是纯净的、稳定的；它们之间的相互配合是最佳的。但在电动汽车实际运行过程中，这些条件就得不到保证了。例如，电池的输出瞬问多变；燃料电池排水会受到汽车震动频率和方向的影响；燃料电池的输出能力会受到进气纯度和压力的影响。在日本曾经出现过燃料电池汽车经过温泉附近电池性能出现突然下降，其原因是火山附近空气中的硫化氢引起电池催化剂中毒所致。这就要求燃料电池系统提高对湿度、温度和杂质气体的适应能力。燃料电池系统能量效率和比功率有待提高H2/O2质子交换膜燃料电池的最大输出功率密度是在电池电压达到0.5电池的输出功率和能量转换效率存在着密切的关系。已报道了4OkW质子交换膜燃料电池系统的燃料转化效率跟电池输出功率之问的关系。当电池在额定输出功率40kW条件下工作时，其燃料转换效率只有35％～40％。不仅如此，如果考虑到燃料电池系统中辅机消耗的能量，以及配套系统的重量和体积，则整个系统的能量转换效率和比能量、比功率会进一步下降。这就部分抵消了燃料电池具有能量转换效率高的优点。例如，虽然燃料电池堆的功率密度可以做到1kW几，但整个燃料电池发动机系统的功率密度只有75～100w／L。(3)燃料电池动力系统的可靠性有待深入研究燃料电池动力系统是由燃料电池堆(或称燃料电池本体)、氢源系统、氧源系统和控制系统组成的。每一个系统又包括数个子系统。例如氢源系统就包含氢气制造、净化、压力调节和控制系统；氢气输送、安全防护等子系统。燃料电池堆也包含电池排热、排水、保温、保湿、冷却等子系统。因此燃料电池动力系统的研制和运行过程是一个相当复杂的系统工程。在燃料电池系统中，任何一个子系统、组件、元件出现故障或失效，都会给整个燃料电池系统带来影响，甚至引起电池失效。将可靠性工程原理应用到一个系统工程的研究设计、生产