燃料电池系统及燃料汽车的结构分析

热度:Loading...   日期:16-11-01, 10:05 AM   来源:陆地方舟集团   

燃料电池系统及燃料汽车的结构分析

燃料电池汽车的基本结构多种多样。按照驱动型式可分为纯燃料电池驱动和混合驱动两种;按照能量来源可分为车载纯氢和燃料重整两种方式。由于燃料电池电动汽车正处在研究的初期阶段,所以各种技术竞相试用,并各有优缺点。

纯燃料电池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。其主要缺点有:燃料电池的功率大,成本昂贵;对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求;不能进行制动能量回收。基于这些不利因素,目前的燃料电池汽车主要采用的是混合驱动型式,即在燃料电池的基础上,增加了一组电池或超级电容作为另一个动力源。

图7—1是采用“燃料电池十电池’’(FC+B)混合驱动型式的燃料电池汽车的动力系统结构图。考虑到目前燃料电池系统自身的一些特殊要求,例如,在启动时空压机或鼓风机需要供电,电堆需要加热,氢气和空气需要加湿等,同时也为了能够回收制动能量,因而将电池和燃料电池系统组合起来形成混合动力驱动系统。该系统降低了对燃料电池的功率和动态特性的要求,同时也降低了燃料电池系统的成本,但却增加了驱动系统的重量、体积和复杂性,从而增加了电池的维护、更换费用。

燃料电池系统

根据燃料电池所提供的功率占整车总需求功率的比例不同,燃料电池混合动力汽车可分为能量混合型和功率混合型两大类。在燃料电池汽车开发的早期,由于技术水平的限制,燃料电池的功率较小,还难以满足车辆的功率需求。在车辆行驶过程中燃料电池只能提供整车功率需求的一部分,不足的部分还需要其他动力源(如电池)来提供,采用这种混合驱动型式的汽车即为能量混合型燃料电池汽车。能量混合型燃料电池汽车为了满足一定的性能指标,往往需要配备较大容量的电池组,从而导致整车的自重增加、动力性变差、布置空间紧张。能量混合型燃料电池汽车的燃料电池可以经常在系统效率较高的额定功率区域内工作。但每次运行结束后,除了要加注氢燃料外,还需要用地面电源为电池充电。随着燃料电池技术的不断成熟,燃料电池性能的逐渐提高,燃料电池所提供的功率比例越来越大,这样就可以减少电池的容量,从而减轻车重、提高动力性等。但为了回收制动能量,还需要一定数量的电池,而电池只捉供整车所需功率中很小的一部分。燃料电池作为主动力源。

电池作为辅助动力源,车辆需要的功率主要由燃料电池提供,电池只是在燃料电池启动、汽车爬坡和加速时提供功率,在汽车制动时回收制动能量。采用这种混合驱动型式的汽车即为功率混合型燃料电池汽车。由于镍一氢电池或锂离子电池比能量及比功率较高,从而可以减少电池组的体积和重量,现在越来越多地被用作燃料电池混合动力汽车的电池。但是,由于目前这些电池的价格仍非常昂贵,同时使用过程中电池的工作电压、电流、温度等的变化与其安全有很密切的关系,所以往往需要配备专门的电池管理系统。目前,燃料电池混合动力汽车的驱动型式多种多样,除了前面介绍的“FC+B,外,近年来。

功率混合型燃料电池汽车开始出现“FC+C"的驱动型式,即采用燃料电池与超级电容组合,完全摒弃了寿命短、成本高、使用要求复杂的电池。采用超级电容的突出优点是寿命长和效率高,可大大降低使用成本,有利于燃料电池汽车的商业化推广和应用。图7-2所示为采用“燃料电池十电池十超级电容’’(Fc+B+c)驱动型式的燃料电池汽车的系统结构图,该型式是在电压总线上再并联一组超级电容,用于提供(吸收)加速(紧急制动)的尖峰电流,从而减轻电池的负担,延长其使用寿命。

燃料电池汽车动力系统结构图

燃料电池系统
单独的燃料电池堆是不能发电并应用于汽车的,它必须和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料电池发电系统,简称燃料电池系统,才能对外输出功率。如图7-3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。目前最成熟的技术还是以纯氢为燃料,而且系统结构相对简单,仅由氢源、稳压阀和循环回路组成。
燃料电池系统图
燃料电池的功率密度随反应物氢和氧压力的升高而增大。所以,目前有些燃料电池采用提高空气供给压力(一般是2atm~3atm)的方法来提高燃料电池系统的功率密度,但是空气在被加湿的情况下,由于水蒸气的存在,将减小氧气的分压,而且空气中大量的非反应物——氮气同时被加压,如果没有从燃料电池排出的空气中回收能量的良好措施,则会大大降低质子交换膜燃料电池(PEMFC)的净输出功率和系统效率,所以其作用受到了限制。这种空气加压系统的另一个问题是不可能提供较大的过量空气供给,因为过量空气供给越大,系统效率越低,而大量的过量空气有助于改善燃料电池的性能。如果采用环境压力(常压)空气作为氧化剂,通过对膜加湿(取消对空气加湿、加压)、加大过量空气供给以及采用先进的冷却方法等一系列措施,则简化了结构,提高了效率,可以克服加压燃料电池的一些不足。还有一类燃料电池采用变压系统,即根据燃料电池的负荷来调节系统中空气和氢气的压力,虽然也表现出不错的性能,但结构比较复杂。
电池内部的水/热管理是燃料电池的难点和重点,也是电池性能好坏的关键。如图7—3所示,产物水首先通过燃料电池堆的反应区冷却电堆本身,在冷却过程中水蒸气被加热至燃料电池的工作温度,被加热的水再与反应气体接触,起到增湿的效果。除了在增湿过程中,部分热量被反应气体带走外,还需一个水/空气热交换器,将多余的热量带走,防止系统热量积累,造成电池温度过高。控制系统则根据负载对燃料电池功率的要求,或随燃料电池工作条件(压力、温度、电压等)的变化,对反应气体的流量、压力、水/热循环系统的水流速等进行综合控制。

保证电池正常有效地运行。该控制系统由多种功能不同的传感器、阀件、泵、调节控制装置、管路、控制单元等组成:

随着电堆技术的日趋成熟,控制系统成为决定燃料电池系统性能和制造成本的瓶颈,因此必须对这些零部件进行系统的耐久性和安全性研究,并且制定适合车辆应用的统一标准。燃料电池系统的主要研究热点包括:使用轻质材料,优化设计,提高燃料电池系统的比功率;提高PEMFC系统快速冷启动能力和动态响应性能;研究具有负荷跟随能力的燃料处理器;对电池或超级电容、氢气存储进行系统优化设计,提高系统的效率和调峰能力,回收制动能量等。

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