氢能源在燃料电池城市客车上的应用

作者：林成涛 谢起成 陈全世 彭涛

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 【论文摘要】环境污染、全球变暖、能源短缺的压力，使传统的内燃机汽车在进入二十一世纪时面临前所未有的挑战，汽车制造商都努力尝试使用新能源来提高汽车的经济环保特性。各国政府及各大汽车制造商都纷纷投入巨资进行质子交换膜燃料电池(PEMFC)电动汽车的研究与开发。燃料电池汽车技术与传统汽车、纯电动汽车技术相比，具有下面的优势。 【关键词】氢能源,燃料电池城市客车 0、项目背景 环境污染、全球变暖、能源短缺的压力，使传统的内燃机汽车在进入二十一世纪时面临前所未有的挑战，汽车制造商都努力尝试使用新能源来提高汽车的经济环保特性。各国政府及各大汽车制造商都纷纷投入巨资进行质子交换膜燃料电池(PEMFC)电动汽车的研究与开发。燃料电池汽车技术与传统汽车、纯电动汽车技术相比，具有下面的优势。 (1)效率高 燃料电池的工作过程是化学能转化为电能的过程，不受卡诺循环的限制，能量转换效率较高，1999年戴姆勒一克莱斯勒推出的燃料电池概念车NECAR 4从油箱到车轮的能量效率为37.7％，而高效汽油机和柴油机汽车整车效率分别为16－18％和22－24％ (2)续驶里程长 采用燃料电池系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。 (3)绿色环保 燃料电池没有燃烧过程，以纯氢作燃料，生成物只有水，属于零排放。采用其它富氢有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池的燃料，生产物除水之外还可能有少量的CO2，接近零排放。 (4)过载能力强 燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达额定功率的200％或更大。 (5)低噪音 燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其它运动部件，因此与内燃机汽车相比，运行过程中噪音和振动都较小。 (6)设计方便灵活 燃料电池汽车可以按照X－By－Wire的思路进行汽车设计，改变传统的汽车设计概念，可以在空间和重量等问题上进行灵活的配置。 在燃料电池汽车国际大开发的背景下，根据中国汽车工业发展的战略需要，中国国家高技术研究发展计划(863计划)的“十五”计划把燃料电池城市客车列为电动汽车重大专项中的一个重要子课题。燃料电池城市客车项目从2002年初启动，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室为研究工作的主要承担单位，第一辆原型车已经在2002年底通过国家验收。 1、整车氢源与动力系统结构选择 设计863燃料电池城市客车首先要选择适合于中国的经济条件和道路条件的氢源方案与动力系统结构。 1.1氢源方案比较车上供氢系统可分为车载制氢和车载纯氢两大类。 1.1.l 车载制氢 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。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、汽油、LPG、甲烷等)。其它物质如氨、金属或金属氢化物等也可以作为制氢原料。 从技术上看，醇类燃料制氢的温度较低，制氢反应容易实现。其中甲醇通常被认为是最为合适的车载制氢燃料。DaimlerChrysler公司的Necars，于2002年6月4日完成了横穿美国东西部的壮举，行程3000余英里，充分证明甲醇车载重整制氢燃料电池汽车的技术可行性。 烃类比醇类制氢难度大，主要表现在重整的温度高和硫的脱除。烃类燃料中，天然气由于是气态燃料，车载储运比较困难，并且车载重整最难，工作温度最高，一般不作为燃料电池车载氢源的燃料。 其它制氢方法中，氨因为作为制氢原料成本高、有较大的腐蚀性，而且氨完全裂解温度高，因此不适宜选为车载制氢燃料。而金属或金属氢化物水解制氢，由于其高能耗和高成本、以及原料制备过程中的高排放，只能用于特殊的场合，而不适合于大规模的汽车行业。 车载制氢避免了固定的氢制取、运输和加注等基础设施及车载储氢系统的技术问题和投资。不过，在目前中国进行燃料电池汽车自主开发的起步阶段，选用车载纯氢方案更加合理。首先，车载制氢需要复杂的高温燃料处理器，其技术成熟度不及车载纯氢方案。其次，有研究表明，车载纯氢方案在整车能量效率、预期总成本(包括基础设施、燃料和车辆)、减少污染和温室气体排放、减少石油依赖和可持续性发展方面，都比车载制氢方案有利。 1.l.2车载纯氢 车载纯氢方案的燃料链包括了氢集中制备、分离纯化、及储运分配等过程。在燃料电池汽车本身的设计中，主要考虑车载纯氢的储存技术。车载纯氢储存方法主要分为：高压氢气储存、液态氢储存、金属贮氢、活性炭吸附贮氢和碳纳米材料贮氢几种。 (1)高压氧气储存 用氧气压缩机把氢气压缩灌人到车上携带压力容器中，是目前最简单和最常用的车载纯氢储存方法。世界已有的燃料电池大客车示范项目中，采用这种车载储氢方法的就占了大多数。耐高压的储氢压力容器及材料是这种方法的关键。 高压氢气存储方法的主要问题是：①容量小。中国大量使用的是以普通钢材制成的压力容器，储氢压力为15Mpa时，氢的重量仅占总重量的1％，体积容量约0.008kgH2/L。不过，当使用特种高强度奥氏体钢材料制成的容器时，储氢重量可达总重量的2％－6％。②安全性差。高压容器本身就需要特殊的照顾与维护，况且容器中装的是易燃易爆又易渗漏的氢气。车祸时可能有严重的后果。③实施问题。容器压力愈高，充氢站的建设、压缩运行所化的代价愈高。而且充装1立方米氢气要耗电0.5度左右、而1立方米氢气经燃料电池发电仅得2度电。 (2)液态氢储存 戴姆勒一克莱斯勒公司研制开发的NECAR3型和NECAR4型以及通用公司研制开发的“氢动一号”燃料电池电动汽车均采用液氢为燃料。理论上，在各种储氢方式中，无论是从体积密度还是从重量密度的角度看，只有氢气以液态储存才能达到最高的储存密度。目前，液氢存储的重量比约5％－7.5％，体积容量约0.04kgH2/L。不过，由于低温容器的热漏损，液氢的生产、储存、运输对注，以及氢液化消耗大量的能量等问题，使携带液氢规模实施是不可行的。 (3)金属氢化物储氢 该方法首先使氢与金属形成金属氢化物，加热后，金属氢化物分解脱氢而得氢气。 金属氢化物储氢与压力容器储氢相比：①单位重量的储氧量并不高，储氢材料加上容器后，单位重量的储氢量低于高性能材料的压力容器，储氢重量为总重量的1.5％以下。②单位体积的储氢容量有所提高，为0.05kgH2/L。③储氢压力为1－ZMPa，远低于压力容器，提高了安全性，充氢站要求及充氢能耗皆降低。④金属氢化物对氢气中的少量杂质如O2，H2O，CO等有较高的敏感度，高于燃料电池电极催化剂的敏感度，因而提高了对原料氢的质量要求。⑤存在金属氢化物的机械强度、反复充放后的粉碎等问题。目前，金属氢化物可反复充放的次数不多且价格昂贵，所以以金属氢化物作为储氢方法的运行费用是很高的。③储氧化物的容器要能够耐高压，还要有足够的换热面积，能够迅速的传递吸氧和放氢反应过程中释放或者需要的热量。 (4)活性炭吸附贮氢 活性炭低温吸附具有相当好的储氢能力，在-196℃，4.2MPa时，活性炭的储氢量约总重的5％。但是考虑到-196℃的低温、4.2MPa的压力，兼有高压容器法和液氢法的弱点，在车上也不是可行的方法。 (5)碳纳米材料贮氢 纳米碳管被认为是一种非常有潜力的高容量的储氢材料。然而目前所报道的其高储氢容量争议很大。此外，纳米碳管的价格昂贵，目前还未解决其规模制备的方法，加上纳米碳放氢难，放氢的容量低，放氢速率低，实际应用困难，所以其技术的发展难以预测，至少在较短的时间内是不可能实际应用的。 不同的储氢方法对氢气纯度的要求也不尽相同。表1为各储氢方法对氢气纯度的要求。高压氢用的是纯氢，而其它储氢方法要求的是高纯氢或超纯氢。氢的纯化分离能耗成本很高，因此对氢的纯度要求越高则存储方法的成本越大。 综合来看，现阶段在中国发展燃料电池汽车，从技术难度、成本、能耗等方面考虑，在对储氢容器体积要求较低的燃料电池城市客车上，高压氢气储氢具有一定的优势。因此，863燃料电池城市客车采用高压气瓶储氢的方案。 1.2整车动力系统结构分析 燃料电池汽车的动力系统结构有多种，目前各国研究的燃料电池大客车中主要有纯燃料电池(PFC)、燃料电池和辅助电池联合驱动(FC＋B)、燃料电池和超级电容联合驱动(FC＋C)、燃料电池加辅助电池加超级电容联合驱动(FC＋B＋C)四种结构。 纯燃料电池汽车只有燃料电池一个能量源，汽车所有功率负荷都由燃料电池承担。这种结构中燃料电池的额定功率大，成本高，对冷起动时间、耐起动循环次数、负荷变化的响应等提出了很高的要求。 燃料电池和辅助电池混合驱动是一种比较流行的结构。采用燃料电池和辅助电池的双动力源结构主要基于以下原因：(1)当前燃料电池的动态性能欠佳，而汽车的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)燃料电池最佳的负荷率在额定功率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。 863燃料电池城市客车在动力结构上采用了三种能量源混合的形式，如图1所示。选择蓄电池和超级电容组合的原因，主要基于以下两点：(1)蓄电池的能量密度比较大，在驱动过程中，可以长时间提供足够的辅助能量；(2)超级电容的功率密度比较大，在需要比较大的辅助功率时，发挥主要作用，特别是在汽车制动能量回收的过程中，回收较大的回馈功率，进而延长电池使用寿命，提高汽车动力系统的效率。 863燃料电池城市客车在行驶过程中，由燃料电池作为主能量源提供驱动汽车所需的功率，蓄电池用来提供不足功率或吸收多余功率，超级电容主要用于回收和输出瞬间大电流，按照一定的控制策略，多能源动力总成控制系统对三者的输出或输人功率进行合理优化分配，满足复杂城市工况下的行驶要求。这种多能源动力总成控制系统利用三种能量源各自的优势，协调控制工作模式和功率分配，同时改善汽车动力性能和能量效率，其优势互补是单能量源系统不具备的。 2、原型车介绍 2.1整车参数 863燃料电池城市客车的第一辆原型车的外观如图2所示，整车的部分参数在表2中列出。第一辆原型车在车上预留了超级电容的接口和空间。结合研究条件和试验状况，第一辆原型车没有使用超级电容，仍然是FC＋B结构。 2.2部件参数 2.2.1燃料电池 第一辆原型车采用的是氢空型燃料电池，由中科院大连化物所设计，额定功率为50kw。工作电压大约在 220V－320V之间，输出电压特性如图 3所示。 2.2.2辅助电池 第一辆原型车使用理离子电池组作为辅助电池，由深圳雷天公司提供。理离子电池组额定电压为388.8V，由32个电池模块组成，电池单体特性参数如表3所示。 2.2.3主DC/DC变化器 第一辆原型车的主DC/DC变换器采用直流斩波器结构形式，工作原理如图4所示。 2.2.4电机 第一辆原型车使用的电机为三相交流异步电动机，由株洲电力机车研究所设计，额定功率100kw，峰值功率160kw。 2.3主要设计指标 863燃料电池城市客车第一辆原型车的主要设计指标如下： 3、氢能源的应用 3.1供氢系统 如图5所示，第一辆原型车车载高压氢气储存供应系统由储氢瓶组1、压力表3、滤清器4、减压器5、单向间8、电磁阀10、手动截止问及管路等组成。 在给储气瓶组加氢气时，加氢站的压缩氢气由压力表3(见图5)附近的加气口压人，经客车中部的管路11(见图 6)、三通 9、单向阀 8和管路 7到达汇流排12，由汇流排12进入储气瓶组1。当燃料电池用氢气时，压缩氢气由储气瓶组1经汇流排12、电磁阀10和三通9到达管路11。管路11的氢气再经过压力表3附件气路、客车后部的滤清器4和减压器5，到达燃料电池6。 系统采用的储氢瓶由航天部625所提供，为技术成熟的铝材容器，外用碳纤维加强，内胆为抗氢脆的聚合物材料。第一辆原型车车载高压氢气储存供应系统的技术指标如下：(1)工作压力:20Mpa (2)储气量：水容积100L气瓶9支；(3)过流安全保护装置：当流量在75Nm3/h时，电磁阀10不应关断，在流量达到100Nm/3此时，电磁阀10必须关断。(5)减压器：流量≥65Nm3/h；(6)滤清器：一级过滤精度为60μ，二级过滤精度为3μ。 3.2氢安全系统 863燃料电池城市客车携带有大量的易燃、易爆的高压氢气，车内乘坐有大量的乘客，运行环境和运行工况复杂多变，因此整车安全设计和制定严格科学的安全标准是燃料电池城市客车研制过程中一项极其重要的任务。第一辆原型车氢安全系统包括氢供应安全系统、整车氢安全系统、车库安全系统和其他措施。 3.2.l氢供应安全系统 整车的氢供应系统从设计到施工充分考虑了用氢安全。所有储氢瓶、管道以及阀件均适用于氢介质，所能承受的压力留有足够的安全裕量；储氢瓶的安装根据安全要求执行，所有高压氢气连接管均采用无缝不锈钢管，质量符合国家标准；并组管路经过30Mpa水压实验和20Mpa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；在储氢瓶的出口处设有过流保护装置，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20％时，过流保护装置会自动切断氢气供应；在储氢瓶的总出口设计有一个电磁阀，当整车氢报警系统的任意一个探头检测到车内的氢浓度达到报警标准时，将通知司机切断供氢的电磁阀。 系统还配有高低压管路的保护装置：(1)在高压管路部分，设置了过流安全保护装置。若发生意外，在超过设计安全流量时，可不需借助任何外力迅速自动切断气路；当故障排除后，只需对电磁间进行数秒钟的通电，又可恢复正常运行。(2)在低压管路部分，设置了发动机供气安全保护装置。当发动机出现故障不能正常运转时，将使电磁问自动关闭，切断发动机供气气路，保证供气系统的供气安全。 3.2.2整车氢安全系统 整车氢安全电气控制系统包括氢泄漏监测及报警处理系统。氢泄漏监测系统由安装在车顶部的储氢瓶舱、乘客舱、燃料电池发动机舱以及发动机水箱附近的4个催化燃烧型传感器和安装在车体下部的一套监控器组成，传感器实时检测车内的氢浓度，当有任何一个传感器检测到的氢浓度超过氢爆炸下限(空气中的氢浓度为4％体积浓度)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，同时通知安全报警处理系统采取相应的安全措施。氢安全报警处理系统的电气原理框图如图7所示。 氢安全报警处理系统接收到I级报警信号时，由报警处理单元启动声光报警系统；同时通过固态继电器给驾驶室提供一个接地的信号，使驾驶控制系统的一个继电器吸合，通过声光报警通知司机有氢气泄漏，司机通过手动开关一次性关闭燃料电池发动机，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。 3.2.3车库氢安全系统 车库氢安全电气控制系统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由安装在车库顶部的多个催化燃烧型传感器和安装在控制室的一套监控器组成，传感器实时检测车库内的氢浓度，当有任何一个传感器检测到的氢浓度超过氢爆炸下限(与车上标准相同)，监控器会发出报警信号，同时通知安全报警处理系统采取相应的安全措施。氢安全报警处理系统的电气原理框图如图8所示。 氢安全报警处理系统接收到I级报警信号时，由报警处理单元启动车库外声报警系统；同时自动通过电磁阀打开车库上部的进气窗，并开启车库顶部的排风机排风，排风机采用防爆电机驱动。排风机和进气窗也可以通过处理系统控制箱上的控制按钮手动操作。 3.2.4其他氢安全措施 (1)防静电设施 燃料电池城市客车车体底部有6处接地线，在加氢以及车上存有氢气时，需将第一辆原型车车体可靠接地。 (2)防爆措施 第一辆原型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，车库使用的灯具、排风机电机以及氢检测传感器均选用防爆型；车上存有氢气及氢安全系统报警时，车上和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。 (3)氢安全操作规程 根据实验过程和步骤，制定严格的氢安全操作规程非常必要。部分规程有：严禁在车库内对样车进行大规模加氢操作；发动机起动前进行前管路的气密性检查；调试以及发动机起动前用氮气吹扫管路；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；雷雨天气禁止做氢气系统调试及实验；任何工作人员发现安全问题有权要求停止调试等。 3.3道路试验 目前，燃料电池城市客车正在进行3000公里道路试验，试验目的是为了考察整车性能的同时发现存在问题。道路试验中出现的问题是下一阶段项目研究工作的重点，具体体现在三个方面： (1)继续深化各部件的台架试验，其中尤以燃料电池为重点。全面掌握部件工作特性，是对汽车实现有效控制，进而优化整车控制策略，提高整车效率的基础。 (2)进一步改善零部件的可靠性。在实车运行试验过程中，燃料电池、空气压缩机、DC/DC变换器、电子线路的接插件都不同程度出现了因为可靠性不够引起的故障，这些需要由整车单位和零部件研究单位协作解决。 (3)进一步改进红安全系统。安全系统是燃料电池城市客车的生命线，安全系统过于严格，将影响整车正常工作；安全系统工作不力，将影响整车和乘客的行车安全。目前的氢安全系统有过于严格的问题，个别情况出现误报，氢安全系统将在后续研究工作中不断完善。 4、总结 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室从二十世纪九十年代初开始从事电动汽车领域的研究工作，先后研究开发了纯电动汽车、混和动力电动汽车和燃料电池中型客车，在电动汽车领域积累了比较丰富的经验。实验室正在进行的863燃料电池城市客车项目的研究周期持续到2005年，项目成果计划将服务于2008年北京奥运会。第一辆原型车的顺利完成为第二阶段的研究工作打下了较好的基础，论文的内容正是863燃料电池客车第一辆原型车研制过程中与氢能源应用有关的部分成果。目前，一方面燃料电池城市客车样车正在进行3000公里道路实验，另一方面第二阶段样车的研制工作也在紧张进行。道路试验要全面掌握在复杂道路条件和多种工况下燃料电池城市客车的工作特性，样车部件的可靠性和氢安全系统是试验考察的重点。第二阶段样车的研制将以优化车辆参数与控制策略，提高整车能量效率为重点，道路试验的成果直接应用于第二阶段样车的研制。对于燃料电池城市客车规模商业化生产和运行来讲，另一个巨大的挑战是氢燃料源供应基础设施的建设。该问题已经由有关研究机构在同步研究，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室也参与其中。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/12/2005)