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甲醇重整制氫燃料電池公交車技術解析 

時間:2017-11-15 10:00
來源:電動汽車資源網 雷洪鈞

  

  【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,即為“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義
  ①氫燃料電池公交車必須是電動車,不是燃油內燃機汽車;
  ②氫燃料電池公交車的能源由車載燃料電池系統發電供給,目前的電動公交車能源大多是由動力電池接受外部電網充電而來;
  ③氫燃料電池公交車的車載燃料電池系統氫氣供給由車載甲醇重整制氫系統提供,而還有一種瓶裝氫能汽車的氫氣由地面充氫站提供;
  ④開發氫燃料電池公交車,其基礎是電動公交車,開發氫燃料電池公交車的基本目標是提升電動公交車的續航里程。
  二、甲醇重整制氫燃料電池公交車的基本技術單元
  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甲醇重整制氫是技術特色,有別瓶裝氫氣供求技術;
  ④甲醇重整制氫燃料電池公交車整車技術是一個亮點。
  三、氫燃料電池技術的發展歷程
  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為電能。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(一般為氫氣),輸入端的陽極輸送空氣或氧氣,便可產生穩定的電流。
        甲醇重整制氫燃料電池公交車技術解析
      圖1 燃料電池電化學反應裝置示意圖
  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、無污染、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術解析
         圖2 氫燃料電池技術發展5代
  注意:圖2是按時間發展順序來劃分的,其意義在于新技術替代舊技術。目前要推廣應用的是質子交換膜燃料電池(PEMFC),是第5代燃料電池發電技術。這個劃分另一層意義是,無論是瓶裝氫氣還是甲醇重整制氫系統的氫氣必須要滿足,質子交換膜燃料電池(PEMFC)的要求。
  四、氫燃料電池系統分類示意圖
  以質子交換膜燃料電池(PEMFC)技術為焦點,有可以再細分不同技術分案,從氫氣供給端,主要有甲醇重整制氫系統供給氫氣、瓶裝氫氣供給氫氣兩種,如圖3所示。
  從工作溫度,氫燃料電池系統分為低溫(100度以下)工作系統和高溫(100度以上)工作系統兩種。
  從產品供應上分,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術解析
         圖3 氫燃料電池系統分類
  六、公交車選型甲醇重整制氫技術的基本理由
  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:
   甲醇重整制氫燃料電池公交車技術解析
    圖4 車輛成本、市場因素、基礎設施三個方面比較
  ①從產品開發層面的思考,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,其優勢更為明顯。
  ③政府產業布局面思考,選擇瓶裝純氫路線,對燃料公交車開發而言,技術更成熟。
  七、甲醇重整制氫燃料電池系統制氫和發電原理
  甲醇重整制氫燃料電池系統氫和發電原理,如圖5所示。甲醇重整制氫燃料電池系統分為制氫單元和氫發電單元。制氫單元內部結構比較復雜,對整車而言,它必須是總成系統,氫發電單元原理比較簡單,實際產品也比較復雜,主要是配套件較多。制氫單元與氫發電單元,如何匹配科學合理,是對整車而言,是要求有多年的技術積累和深厚的基本功的。
  甲醇重整制氫燃料電池公交車技術解析
    圖5 甲醇重整制氫燃料電池系統氫和發電原理
  從圖5可以看出,甲醇重整制氫系統的功能是制氫,燃料電池系統的功能是發電,彼此之間相互獨立。燃料電池系統要的氫氣,是可以由其他車載裝置(如瓶裝氫氣)提供的。
  可以說,甲醇重整制氫燃料電池系統公交車是甲醇重整制氫系統和燃料電池系統兩套總成的組合。
  八、甲醇重整制氫系統與燃料電池系統的不足
  許多廠家把甲醇重整制氫燃料電池系統的優勢和好處說得多,實際上他們也有許多不足的。作為整車廠工程技術人員而言,更關心其不足,這樣心里才有底。
  1)甲醇重整制氫系統的不足
  目前工廠甲醇重整制氫系統技術已經十分成熟,為什么要把這個技術搬到車上來呢?工廠里生產出來很純、質量高的氫,完全能滿足燃料電池系統的要求。目前問題是,工廠里生產出來很純、質量高氫,如何供給車載燃料電池系統用呢?實際情況是,其路徑很長,技術復雜,尤其是安全措施成本高。將工廠甲醇重整制氫系統技術搬到車上來,是一個解決辦法之一;車載系統與地面工廠系統生產出來氫相比,其不足就產生了。
  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,高溫從哪里來?一定有一個甲醇燃燒過程,裂解起來了以后,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準;
  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,僅一項系統啟動指標,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啟動目時間也在要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,如果空氣污染比較嚴重,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,不能太干。太濕了,不能工作;太干了,交換膜燒壞了。
  九、甲醇重整制氫燃料電池系統在公交車應用的發展
  目前中車公司楊穎博士團隊已經將甲醇重整制氫燃料電池系統在公交車應用技術的發展到了第三代,如圖6所示。
   甲醇重整制氫燃料電池公交車技術解析
     圖6 甲醇重整制氫燃料電池系統應用發展
  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、甲醇重整制氫燃料電池系統公交車實例
  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術解析
       圖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統結構示意圖
  公交車里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術解析
        圖8 公交車各子系統結構示意圖
   3)甲醇重整制氫燃料電池公交車參數及匹配方案
    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術解析

甲醇重整制氫燃料電池公交車技術解析

    表1 車輛參數

  表2與超級電容匹配方案

  3)系統拓撲圖
  公交車里甲醇重整制氫燃料電池電器拓撲圖,如圖9所示。
       甲醇重整制氫燃料電池公交車技術解析
        圖9 電池系統電器拓撲圖
  4)公交車里甲醇重整制氫燃料電池電路原理圖
  甲醇重整制氫燃料電池電路原理圖,如圖10所示:
  甲醇重整制氫燃料電池公交車技術解析
        圖10  電池系統電路原理圖
  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為4個階段:
       甲醇重整制氫燃料電池公交車技術解析
        圖11  車輛負載變化狀態劃分
  車輛負載變化狀態劃分如圖7所示。①車輛啟動;②車輛常平路運行;③車輛爬坡(下坡)運行;④車輛剎車運行。這個劃分為為后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術解析
         圖12 車輛負載變化的控制策略
  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為困難的。筆者觀點,燃料電動系統性能的局限性,作為電動汽車增強器比較現實和合理、科學,而當車輛剎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、解析后的體會
  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后,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氣方式,是選擇瓶裝氫方式,還是甲醇重整制氫方式,如果氫氣來源或者運輸方式已經沒有問題,做為廠家自然會選擇裝氫方式;否則,選擇甲醇重整制氫方式,也是一條可行道路;
  ③從工程化來講,選擇甲醇重整制氫方式,產品開發成功概率小于選擇瓶裝氫方式;
  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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