燃料電池汽車

燃料電池汽車綠色的新型環(huán)保汽車01簡(jiǎn)介特點(diǎn)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀工作原理關(guān)鍵技術(shù)目錄03050204基本信息燃料電池汽車也可以算作電動(dòng)汽車，但你可以在五分鐘內(nèi)給電池灌滿燃料，而不是等上幾個(gè)小時(shí)來充滿電。燃料電池汽車也是電動(dòng)汽車，只不過“電池”是氫氧混合燃料電池。和普通化學(xué)電池相比，燃料電池可以補(bǔ)充燃料，通常是補(bǔ)充氫氣。一些燃料電池能使用甲烷和汽油作為燃料，但通常是限制在電廠和叉車等工業(yè)領(lǐng)域使用。簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介燃料電池汽車(FCV)是一種用車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動(dòng)力的汽車。車載燃料電池裝置所使用的燃料為高純度氫氣或含氫燃料經(jīng)重整所得到的高含氫重整氣。與通常的電動(dòng)汽車比較,其動(dòng)力方面的不同在于FCV用的電力來自車載燃料電池裝置,電動(dòng)汽車所用的電力來自由電網(wǎng)充電的蓄電池。因此,FCV的關(guān)鍵是燃料電池。燃料電池是一種不燃燒燃料而直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。發(fā)電的基本原理是:電池的陽極(燃料極)輸入氫氣(燃料),氫分子(H2)在陽極催化劑作用下被離解成為氫離子(H+)和電子(e-),H+穿過燃料電池的電解質(zhì)層向陰極(氧化極)方向運(yùn)動(dòng),e-因通不過電解質(zhì)層而由一個(gè)外部電路流向陰極;在電池陰極輸入氧氣(O2),氧氣在陰極催化劑作用下離解成為氧原子(O),與通過外部電路流向陰極的e-和燃料穿過電解質(zhì)的H+結(jié)合生成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的水(H2O),完成電化學(xué)反應(yīng)放出熱量。這種電化學(xué)反應(yīng)與氫氣在氧氣中發(fā)生的劇烈燃燒反應(yīng)是完全不同的,只要陽極不斷輸入氫氣,陰極不斷輸入氧氣,電化學(xué)反應(yīng)就會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去,e-就會(huì)不斷通過外部電路流動(dòng)形成電流,從而連續(xù)不斷地向汽車提供電力。與傳統(tǒng)的導(dǎo)電體切割磁力線的回轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)電原理也完全不同,這種電化學(xué)反應(yīng)屬于一種沒有物體運(yùn)動(dòng)就獲得電力的靜態(tài)發(fā)電方式。因而,燃料電池具有效率高、噪音低、無污染物排出等優(yōu)點(diǎn),這確保了FCV成為真正意義上的高效、清潔汽車。為滿足汽車的使用要求,車用燃料電池還必須具有高比能量、低工作溫度、起動(dòng)快、無泄漏等特性,在眾多類型的燃料電池中,質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)完全具備這些特性,所以FCV所使用的燃料電池都是PEMFC。工作原理工作原理燃料電池汽車的工作原理是，作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧氣發(fā)生氧化還原化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生出電能來帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)汽車中的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而帶動(dòng)汽車的前橋（或后橋）等行走機(jī)械結(jié)構(gòu)工作，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車前進(jìn)。7核心部件燃料電池。燃料電池的反應(yīng)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生極少的二氧化碳和氮氧化物，副產(chǎn)品主要產(chǎn)生水，因此被稱為綠色新型環(huán)保汽車。燃料電池汽車是電動(dòng)汽車的一種，其核心部件燃料電池。通過氫氣和氧氣的化學(xué)作用，而不是經(jīng)過燃燒，直接變成電能動(dòng)力。圖2燃料電池汽車的氫燃料能通過幾種途徑得到。有些車輛直接攜帶著純氫燃料，另外一些車輛有可能裝有燃料重整器，能將烴類燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體。單個(gè)的燃料電池必須結(jié)合成燃料電池組，以便獲得必需的動(dòng)力，滿足車輛使用的要求。圖2為燃料電池汽車的燃料電池本體示意圖。特點(diǎn)底盤布置電子控制管理系統(tǒng)特點(diǎn)底盤布置燃料電池動(dòng)力總成包括:氫氣罐總成、蓄電池總成、燃料電池堆總成、動(dòng)力輸出系統(tǒng)總成等。其中,儲(chǔ)氫罐一般放置于底盤的中部,或后排座椅的下方空間(傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)轎車的油箱位置),將氫氣罐分散存儲(chǔ)。除了燃料電池動(dòng)力總成外,對(duì)汽車制動(dòng)總成、前后懸架總成及輪胎等方面也應(yīng)作相應(yīng)的調(diào)整和測(cè)試。特別是隨著輪轂電機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使燃料電池汽車在電動(dòng)機(jī)的放置有了新的選擇,增大了汽車內(nèi)部空間。而各電動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力也可直接控制,提高惡劣路面條件下汽車的行使性能。底盤布置應(yīng)把絕大多數(shù)的負(fù)載均勻分配在底盤的前后端,降低車輛的總體重心,使轎車具有良好的操控性能,并改善車輛的整體安全性。管理系統(tǒng)燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)一般由質(zhì)子交換膜燃料電池、蓄電池、電機(jī)和系統(tǒng)控制設(shè)備組成。燃料電池所生成的電能經(jīng)過DC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/AC逆變器等的變換,帶動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,為汽車提供動(dòng)力。在一些關(guān)鍵部件,如質(zhì)子交換膜燃料電池和蓄電池等,其熱特性及傳熱性質(zhì)與傳統(tǒng)汽車有著很大的不同,為燃料電池汽車的水、熱管理提出了新的目標(biāo)和要求。電子控制與傳統(tǒng)汽車相同,電子控制在燃料電池汽車的發(fā)展中也將起著越來越重要的作用。汽車的各種操縱系統(tǒng)都會(huì)向著電子化和電動(dòng)化的方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)“線操控”,即用導(dǎo)線代替機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu),如“導(dǎo)線制動(dòng)”、“導(dǎo)線轉(zhuǎn)向”等;現(xiàn)有的12V動(dòng)力電源已滿足不了汽車上所有電氣系統(tǒng)的需要,42V汽車電氣系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施,將會(huì)使汽車電器零部件的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)發(fā)生重大的變革,機(jī)械式繼電器、熔絲式保護(hù)電路也將隨之淘汰。同時(shí),燃料電池的特性有其自身的特點(diǎn):a.電壓低,電流大;b.輸出電流會(huì)隨溫度的升高而升高,輸出電壓會(huì)隨輸出電流的增大而下降;c.從開始輸出電壓、電流到逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),停留在過渡帶范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。正是由于以上特點(diǎn),大多數(shù)電器和電機(jī)難以適應(yīng)其電壓特性,所以必須和DC/DC變換器和DC/AC逆變器配合使用,需要對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行大量的功率調(diào)節(jié)以保證電壓的穩(wěn)定。(1)當(dāng)燃料電池的輸出功率大于汽車的需要時(shí),多余的功率可對(duì)蓄電池進(jìn)行充電,在動(dòng)力系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)蓄電池可以給輔助系統(tǒng)提供電源;(2)當(dāng)燃料電池的功率不能滿足汽車加速、爬坡時(shí),蓄電池可提供附加功率,配合燃料電池共同使用。關(guān)鍵技術(shù)電池技術(shù)控制器技術(shù)電機(jī)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)電池技術(shù)電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源泉，也是一直制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。電動(dòng)汽車用電池的主要性能指標(biāo)是比能量(E)、能量密度(Ed)、比功率(P)、循環(huán)壽命(L)和成本(C)等。要使電動(dòng)汽車能與燃油汽車相競(jìng)爭(zhēng)，關(guān)鍵就是要開發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)的高效電池。電動(dòng)汽車用電池經(jīng)過了3代的發(fā)展，已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展。第1代是鉛酸電池，目前主要是閥控鉛酸電池(VRLA)，由于其比能量較高、價(jià)格低和能高倍率放電，因此是目前惟一能大批量生產(chǎn)的電動(dòng)汽車用電池。第2代是堿性電池，主要有鎳鎘、鎳氫、鈉硫、鋰離子和鋰聚合物等多種電池，其比能量和比功率都比鉛酸電池高，因此大大提高了電動(dòng)汽車的動(dòng)力性能和續(xù)駛里程，但其價(jià)格卻比鉛酸電池高。第3代是以燃料電池為主的電池，燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽芰哭D(zhuǎn)變效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反應(yīng)過程，能量轉(zhuǎn)化過程可以連續(xù)進(jìn)行，因此是理想的汽車用電池還處于研制階段，一些關(guān)鍵技術(shù)還有待突破。廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的燃料電池是一種稱為質(zhì)子交換膜的燃料電池(PEMFC)，它以純氫為燃料，以空氣為氧化劑，不經(jīng)歷熱機(jī)過程，不受熱力循環(huán)限制，因此能量的轉(zhuǎn)換效率高，是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的2～3倍。電機(jī)技術(shù)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)是所有電動(dòng)汽車必不可少的關(guān)鍵部件。使用較多的有直流有刷、永磁無刷、交流感應(yīng)和開關(guān)磁阻4種電機(jī)。直流有刷電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，具有交流電機(jī)所不可比擬的優(yōu)良電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，所以直到20世紀(jì)80年代中期，仍是國內(nèi)外電動(dòng)汽車用電機(jī)的主要研發(fā)對(duì)象。但是，由于直流電機(jī)價(jià)格高，體積和質(zhì)量大，因此在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用受到了限制。永磁無刷電機(jī)可以分為由方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)系統(tǒng)(BLD—CM)和由正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)系統(tǒng)(PMSM)，它們都具有較高的功率密度，其控制方式與感應(yīng)電機(jī)基本相同，其主要優(yōu)點(diǎn)是效率可以比交流感應(yīng)電機(jī)高6個(gè)百分點(diǎn)，因此在電動(dòng)汽車上得到了廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)前電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)的研發(fā)熱點(diǎn)。這類電機(jī)具有較高的能量密度和效率，其體積小、慣性低、響應(yīng)快，非常適應(yīng)于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有極好的應(yīng)用前景。但價(jià)格較貴，永磁材料一般僅耐熱12c=0I以下。目前，由日本研制的電動(dòng)汽車主要采用這種電機(jī)。交流感應(yīng)電機(jī)也是較早用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的一種電機(jī)，它的調(diào)速控制技術(shù)比較成熟，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量小、成本低、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低、轉(zhuǎn)速極限高和不用位置傳感器等優(yōu)點(diǎn)，但因轉(zhuǎn)速控制范圍小、轉(zhuǎn)矩特性不理想，因此不適合頻繁啟動(dòng)、頻繁加減速的電動(dòng)汽車。美國以及歐洲研制的電動(dòng)汽車多采用這種電機(jī)?？刂破骷夹g(shù)控制器技術(shù)的變速和方向變換是靠電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制裝置來完成的，其原理是通過控制電動(dòng)機(jī)的電壓和電流來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向的控制。目前電動(dòng)汽車上應(yīng)用較廣泛的是晶閘管斬波調(diào)速，通過均勻改變電機(jī)的端電壓，控制電機(jī)的電流，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。在電子電力技術(shù)的不斷發(fā)展中，它也逐漸被其他電力晶體管(如GTO、MOSFET、BTR及IGBT等)斬波調(diào)速裝置所取代。從技術(shù)的發(fā)展來看，伴隨著新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用，電動(dòng)汽車的調(diào)速控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂孀兗夹g(shù)的應(yīng)用將成為必然的趨勢(shì)。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋向變換控制中，直流電機(jī)依靠接觸器改變電樞或磁場(chǎng)的電流方向，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋向變換，這使得控制電路復(fù)雜、可靠性降低。當(dāng)采用交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)向的改變只需變換磁場(chǎng)三相電流的相序即可，可使控制電路簡(jiǎn)化。此外，采用交流電機(jī)及其變頻調(diào)速控制技術(shù)，使電動(dòng)汽車的制動(dòng)能量回收控制更加方便，控制電路更加簡(jiǎn)單。二十一世紀(jì)以來，由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車幾乎都采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。矢量控制又有最大效率控制和無速度傳感器矢量控制，前者是使勵(lì)磁電流隨著電動(dòng)機(jī)參數(shù)和負(fù)載條件的變化，從而使電動(dòng)機(jī)的損耗最小、效率最大；后者是利用電機(jī)電壓、電流和電機(jī)參數(shù)來估算出速度，不用速度傳感器，從而達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)、降低成本、提高可靠性的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制克服了矢量控制中解耦的問題，把轉(zhuǎn)子磁通定向變換為定子磁通定向，通過控制定子磁鏈的幅值以及該矢量相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。由于直接轉(zhuǎn)矩的控制手段直接、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制性能優(yōu)良和動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速，因此非常適合電動(dòng)汽車的控制。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀北美歐洲日韓中國國內(nèi)外研究現(xiàn)狀北美美國和加拿大是燃料電池研發(fā)和示范的主要區(qū)域，在美國能源部（DOE）、交通部（DOT）和環(huán)保局（EPA）等政府部門的支持下，燃料電池技術(shù)取得了很大的進(jìn)步，通用汽車、福特汽車、豐田、戴姆勒奔馳、日產(chǎn)、現(xiàn)代等整車企業(yè)均在美國加州參加燃料電池汽車的技術(shù)示范運(yùn)行，并培育了美國的UTC（聯(lián)合技術(shù)公司）、加拿大的巴拉德（Ballad）等國際知名的燃料電池研發(fā)和制造企業(yè)美國通用汽車公司2007年秋季啟動(dòng)的ProjectDriveway計(jì)劃，將100輛雪佛蘭Equinox燃料電池汽車投放到消費(fèi)者手中，2009年總行駛里程達(dá)到了160萬km。同年，通用汽車宣布開發(fā)全新的一代氫燃料電池系統(tǒng)，新系統(tǒng)與雪佛蘭Equinox燃料電池車上的燃料電池系統(tǒng)相比，新一代氫燃料電池體積縮小了一半，質(zhì)量減輕了100kg，鉑金用量?jī)H為原來的1/3。通用汽車新一代燃料電池汽車的鉑金用量已經(jīng)下降到30g，按照目前國際市場(chǎng)價(jià)格，鉑金為300~400元/g，100kW燃料電池的鉑金成本約為1萬元人民幣，燃料電池的成本大幅度下降。預(yù)計(jì)到2017年，100kW燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的鉑金用量將下降到10~15g，達(dá)到傳統(tǒng)汽油機(jī)三效催化器的鉑金用量水平。美國在2006年專門啟動(dòng)了國家燃料電池公共汽車計(jì)劃（NationalFuelCellCityBusProgram，NFCBP），進(jìn)行了廣泛的車輛研發(fā)和示范工作，2011年美國燃料電池混合動(dòng)力公共汽車實(shí)際道路示范運(yùn)行單車壽命超過1.1萬h。美國在燃料電池混合動(dòng)力叉車方面也進(jìn)行了大規(guī)模示范，截至2011年，全美大約有3000臺(tái)燃料電池叉車，壽命達(dá)到了1.25萬h的水平。燃料電池叉車在室內(nèi)空間使用，具有噪音低、零排放的優(yōu)點(diǎn)。歐洲歐洲的燃料電池客車示范計(jì)劃，完成了第6框架計(jì)劃（FrameworkProgram，2002—2006）和第7框架計(jì)劃（2007—2012），目的是突破燃料電池和氫能發(fā)展的一些關(guān)鍵性技術(shù)難點(diǎn)，在CUTE(CleanUrbanTransportforEurope,歐洲清潔都市交通）及歐盟其他相關(guān)項(xiàng)目支持下，各個(gè)城市開展燃料電池公共汽車示范運(yùn)行，今年新的計(jì)劃CHIC（CleanHydrogeninEuropeanCities,歐洲清潔都市交通）開始實(shí)施，包括阿姆斯特丹、巴塞羅那、漢堡、倫敦、盧森堡、馬德里、波爾圖、斯德哥爾摩、斯圖加特、冰島以及澳大利亞珀斯，即澳大利亞STEP項(xiàng)目（SustainableTransportEnergyProgram，可持續(xù)交通能源計(jì)劃）等，歐洲在燃料電池汽車的可靠性和成本控制等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在德國，2012年6月，主要的汽車和能源公司與政府一起承諾，建立廣泛的全國氫燃料加注網(wǎng)絡(luò)，支持發(fā)展激勵(lì)計(jì)劃，即到2015年，全國建成50個(gè)加氫站，為全國5000輛燃料電池汽車提供加氫服務(wù)。戴姆勒奔馳于2011年開展燃料電池汽車的全球巡回展示，驗(yàn)證了燃料電池轎車性能已經(jīng)達(dá)到了傳統(tǒng)轎車的性能，具備了產(chǎn)業(yè)化推廣的能力。戴姆勒集團(tuán)參與“HyFLEET：CUTE（2003-2009）”項(xiàng)目。36輛梅賽德斯－奔馳Citaro燃料電池客車已由20個(gè)交通運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行運(yùn)營(yíng)使用，運(yùn)營(yíng)時(shí)間超過14萬h、行駛里程超過220萬km。但是第一代純?nèi)剂想姵氐目蛙嚕瑝勖挥?000h，經(jīng)濟(jì)性較差。戴姆勒集團(tuán)與2009年開始推出第二代輪邊電機(jī)驅(qū)動(dòng)的燃料電池客車，主要性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平，其經(jīng)濟(jì)性大幅度改善，燃料電池耐久性達(dá)到1.2萬h。德國西門子公司研發(fā)的燃料電池，已經(jīng)成功地應(yīng)用于德國的214型潛艇上（氫氧型）。日韓從全球范圍看，日本和韓國的燃料電池研發(fā)水平處于全球領(lǐng)先，尤其是豐田、日產(chǎn)和現(xiàn)代汽車公司，在燃料電池汽車的耐久性，壽命和成本方面逐步超越了美國和歐洲。豐田公司的2008版FCHV-Adv在實(shí)際測(cè)試中，實(shí)現(xiàn)了在－37℃順利啟動(dòng)，一次加氫行駛里程達(dá)到了830km，單位里程耗氫量0.7kg/（100km），相當(dāng)于汽油3L/（100km），如圖3所示。2013年11月，豐田在“第43屆東京車展2013”上，展出了計(jì)劃在2015年投放市場(chǎng)的燃料電池概念車，作為技術(shù)核心的燃料電池組目前實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)公開的全球最高的3kW/L功率密度。該燃料電池組去掉了加濕模塊，不但降低了成本、車質(zhì)量和體積，還減少了燃料電池的熱容量，有利于燃料電池在低溫條件下迅速冷啟動(dòng)。如圖5所示為豐田公司的FCHV-Adv。目前豐田汽車公司在擴(kuò)大混合動(dòng)力汽車的同時(shí)，重點(diǎn)針對(duì)燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行準(zhǔn)備，擬在2015年投放新一代燃料電池轎車，進(jìn)行批量生產(chǎn)；2016年生產(chǎn)（與日野合作）新一代燃料電池客車。和豐田汽車公司類似，日產(chǎn)汽車也投入巨資開展燃料電池電堆和轎車的研發(fā)，2011年日產(chǎn)的燃料電池電堆，功率90kW，質(zhì)量?jī)H43kg，2012年，日產(chǎn)汽車公司研發(fā)的電堆功率密度達(dá)到了2.5kW/L，這在當(dāng)時(shí)是國際最高水平。另外，本田公司新開發(fā)的FCXClarity燃料電池汽車，能夠在－30℃順利啟動(dòng)，續(xù)駛里程達(dá)到620km，2014年，本田宣布的新一代燃料電池堆功率密度也達(dá)到3kW/L。中國在中國國家“八