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甲醇重整制氫燃料電池公交車技術解析 

二人麻将平台:2017-11-15 10:00
来源:电动汽车资源网 雷洪钧

  

  【電動汽車資源網EV江湖 雷洪鈞】21世紀汽車發展方向基本明確,即爲“四化”:電動化、氫能化、輕量化、智能網聯化。目前電動汽車氫能化的呼聲較高,但對汽車行業工程師而言,卻是嶄新的課題。下面筆者對甲醇重整制氫燃料電池公交車關鍵性技術進行解析,予以專業性知識科普。
  一、甲醇重整制氫燃料電池公交車的基本含义
  ①氢燃料電池公交車必须是电动车,不是燃油内燃机汽车;
  ②氢燃料電池公交車的能源由车载燃料电池系统发电供给,目前的电动公交车能源大多是由动力电池接受外部电网充电而来;
  ③氢燃料電池公交車的车载燃料电池系统氢气供给由车载甲醇重整制氫系统提供,而还有一种瓶装氢能汽车的氢气由地面充氢站提供;
  ④开发氢燃料電池公交車,其基础是电动公交车,开发氢燃料電池公交車的基本目标是提升电动公交车的续航里程。
  二、甲醇重整制氫燃料電池公交車的基本技术单元
  ①電動公交車是本體技術,本體技術已經基本成熟;
  ②氫燃料電池是關鍵技術,關鍵技術有待進一步完善;
  ③甲醇重整制氫是技术特色,有别瓶装氢气供求技术;
  ④甲醇重整制氫燃料電池公交車整车技术是一个亮点。
  三、氫燃料電池技術的發展曆程
  燃料電池是一種電化學反應裝置,如圖1所示,它是直接將化學能轉化爲電能。燃料電池與儲能電池一樣輸出端,同樣有正負極,電池內部有電解液,只需要將輸入端的陰極注入燃料(一般爲氫氣),輸入端的陽極輸送空氣或氧氣,便可産生穩定的電流。
        甲醇重整制氫燃料電池公交車技术解析
      图1 燃料电池电化学反应装置示意图
  與傳統內燃機的發電方式相比,燃料電池不受卡諾循環限制,因此能量轉換效率高,而且具備零排放、無汙染、噪聲低、安裝靈活等優點。氫燃料電池技術經過200多年的發展已經是5代了,如圖2所示:
   甲醇重整制氫燃料電池公交車技术解析
         图2 氢燃料电池技术发展5代
  注意:图2是按二人麻将平台发展顺序来划分的,其意义在于新技术替代旧技术。目前要推广应用的是质子交换膜燃料电池(PEMFC),是第5代燃料电池发电技术。这个划分另一层意义是,无论是瓶装氢气还是甲醇重整制氫系统的氢气必须要满足,质子交换膜燃料电池(PEMFC)的要求。
  四、氫燃料電池系統分類示意圖
  以质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术为焦点,有可以再细分不同技术分案,从氢气供给端,主要有甲醇重整制氫系统供给氢气、瓶装氢气供给氢气两种,如图3所示。
  從工作溫度,氫燃料電池系統分爲低溫(100度以下)工作系統和高溫(100度以上)工作系統兩種。
  從産品供應上分,有國外的,有國內的,國內的主要是大連的、北京的、江蘇等地。
    甲醇重整制氫燃料電池公交車技术解析
         图3 氢燃料电池系统分类
  六、公交车选型甲醇重整制氫技术的基本理由
  下面從車輛成本、市場因素、基礎設施三個方面,進行比較分析,如圖4所示:
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    图4 车辆成本、市场因素、基础设施三个方面比较
  ①從産品開發層面的思考,比較分析的結論是:重整制氫燃料電池技術路線比瓶裝純氫路線更具推廣優勢。
  ②從短期來看,重整制氫燃料電池技術路線比瓶裝純氫技術路線,其優勢更爲明顯。
  ③政府産業布局面思考,選擇瓶裝純氫路線,對燃料公交車開發而言,技術更成熟。
  七、甲醇重整制氫燃料电池系统制氢和发电原理
  甲醇重整制氫燃料电池系统氢和发电原理,如图5所示。甲醇重整制氫燃料电池系统分为制氢单元和氢发电单元。制氢单元内部结构比较复杂,对整车而言,它必须是总成系统,氢发电单元原理比较简单,实际产品也比较复杂,主要是配套件较多。制氢单元与氢发电单元,如何匹配科学合理,是对整车而言,是要求有多年的技术积累和深厚的基本功的。
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    图5 甲醇重整制氫燃料电池系统氢和发电原理
  从图5可以看出,甲醇重整制氫系统的功能是制氢,燃料电池系统的功能是发电,彼此之间相互独立。燃料电池系统要的氢气,是可以由其他车载装置(如瓶装氢气)提供的。
  可以说,甲醇重整制氫燃料电池系统公交车是甲醇重整制氫系统和燃料电池系统两套总成的组合。
  八、甲醇重整制氫系统与燃料电池系统的不足
  许多厂家把甲醇重整制氫燃料电池系统的优势和好处说得多,实际上他们也有许多不足的。作为整车厂工程技术人员而言,更关心其不足,这样心里才有底。
  1)甲醇重整制氫系统的不足
  目前工厂甲醇重整制氫系统技术已经十分成熟,为什么要把这个技术搬到车上来呢?工厂里生产出来很纯、质量高的氢,完全能满足燃料电池系统的要求。目前问题是,工厂里生产出来很纯、质量高氢,如何供给车载燃料电池系统用呢?实际情况是,其路径很长,技术复杂,尤其是安全措施成本高。将工厂甲醇重整制氫系统技术搬到车上来,是一个解决办法之一;车载系统与地面工厂系统生产出来氢相比,其不足就产生了。
  ①車載系統,其純度要低一些,需要提高純度;
  ②要有一定高溫條件,甲醇才有可能裂解出氫,車載系統,高溫從哪裏來?一定有一個甲醇燃燒過程,裂解起來了以後,就不用燃燒了;
  ③裂解過程不可能十分徹底到位,會有少許甲醇溢出,甲醇有微毒性。車載系統必須要有可行辦法,控制甲醇溢出符合國家有關標准;
  ④甲醇對金屬有一定腐蝕性微量毒性甲醇,如何規避,方法是有的,但是要求工程技術人員去采用。
  2)質子交換膜燃料電池系統的不足
質子交換膜燃料電池系統是燃料電池第5代,以前是技術基本上不能滿足車用,僅一項系統啓動指標,有的要上10個小時,有的要幾個小時,質子交換膜燃料電池系統啓動目時間也在要15分以上,其他的不足:
  ①燃料電池系統的輸出特性較軟,即應對負載變化能力不足,尤其是負載較重時,該系統能力跟不上;
  ②燃料電池系統對空氣質量要求比較高,如果空氣汙染比較嚴重,系統會中“毒”,導致系統不能工作;
  ③質子交換膜比較嬌貴,不能太濕,不能太幹。太濕了,不能工作;太幹了,交換膜燒壞了。
  九、甲醇重整制氫燃料电池系统在公交车应用的发展
  目前中车公司杨颖博士团队已经将甲醇重整制氫燃料电池系统在公交车应用技术的发展到了第三代,如图6所示。
   甲醇重整制氫燃料電池公交車技术解析
     图6 甲醇重整制氫燃料电池系统应用发展
  第三代是在甲醇重整系統與燃料電池系統的基礎上,其中間存儲單元是超級電容。
  十、甲醇重整制氫燃料电池系统公交车实例
  1)甲醇重整制氫燃料電池公交車外形
      甲醇重整制氫燃料電池公交車技术解析
       图7 甲醇重整制氫燃料電池公交車
  2)甲醇重整制氫燃料電池公交車各子系统结构示意图
  公交車裏各子系統結構示意圖,如圖8所示
     甲醇重整制氫燃料電池公交車技术解析
        图8 公交车各子系统结构示意图
   3)甲醇重整制氫燃料電池公交車参数及匹配方案
    車輛參數如表1所示,與超級電容器匹配表2所示:


  甲醇重整制氫燃料電池公交車技术解析

甲醇重整制氫燃料電池公交車技术解析

    表1 车辆参数

  表2與超級電容匹配方案

  3)系統拓撲圖
  公交车里甲醇重整制氫燃料电池电器拓扑图,如图9所示。
       甲醇重整制氫燃料電池公交車技术解析
        图9 电池系统电器拓扑图
  4)公交车里甲醇重整制氫燃料电池电路原理图
  甲醇重整制氫燃料电池电路原理图,如图10所示:
  甲醇重整制氫燃料電池公交車技术解析
        图10  电池系统电路原理图
  5)根據車輛負載變化的控制策略
  ①在理論上將公交車的負載變化分爲4個階段:
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        图11  车辆负载变化状态划分
  車輛負載變化狀態劃分如圖7所示。①車輛啓動;②車輛常平路運行;③車輛爬坡(下坡)運行;④車輛刹車運行。這個劃分爲爲後面根據車輛負載變化的控制策略的編制提供了理論依據。
②車輛負載變化的控制策略,如圖12示。
   甲醇重整制氫燃料電池公交車技术解析
         图12 车辆负载变化的控制策略
  以上控制策略就是混合動力系統的控制策略,理論上是能講得通的,實際中實施起來是極爲困難的。筆者觀點,燃料電動系統性能的局限性,作爲電動汽車增強器比較現實和合理、科學,而當車輛刹車需要制動能力回收時,由超級電容擔當,比設計由儲能動力電池更科學些。
  十一、解析後的體會
  ①質子交換模燃料電池技術發展比較快,中國整體技術也不落後,燃料電池技術的推廣應用的切入點在公交車,這是全世界汽車界的共識。
  ②燃料電池公交車的供气方式,是选择瓶装氢方式,还是甲醇重整制氫方式,如果氢气来源或者运输方式已经没有问题,做为厂家自然会选择装氢方式;否则,选择甲醇重整制氫方式,也是一条可行道路;
  ③从工程化来讲,选择甲醇重整制氫方式,产品开发成功概率小于选择瓶装氢方式;
  ④氫能公交車開發成功的瓶頸還是氫燃料系統,穩定性、一致性及生命周期長短。

 

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