燃料電池電動汽車技術特點與關鍵技術

陳星凱

(江蘇省徐州市中等專業學校,江蘇 徐州 221000)

0 引言

燃料電池電動汽車(Fuel Cell Electric Vehicle,FCEV)主要是指采用燃料電池作為驅動力的一種新能源汽車方式[1-2],與傳統汽車相比,燃料電池電動汽車直接通過氧氣和氫氣的化學反應產生電能,進行汽車驅動,能量轉換效率高,在汽車驅動過程中主要排放物質為水,不存在環境污染[3-5];另一方面,燃料電池電動汽車主要是由若干個電池連接而成,可以在汽車內部靈活配置,并且在工作過程中振動小、無污染,是目前被公認為最理想的新能源汽車類型。

本文針對燃料電池汽車的主要類型與基本結構進行系統論述,并且對其關鍵技術及燃料電池汽車產業發展存在的問題進行闡述,為未來我國燃料電池汽車的發展提供參考依據。

1 燃料電池汽車類型與結構

1.1 燃料電池汽車類型

1.1.1 按照有無蓄能裝置分類

按照有無蓄能裝置可以將燃料電池汽車分為純燃料電池電動汽車和混合型燃料電池電動汽車。

純燃料電池電動汽車中的燃料電池是汽車唯一動力來源,對燃料電池的功率要求高,并且無法回收汽車制動能量,因此目前應用較少[6],其技術研究相對有待提升。

混合型燃料電池電動汽車在燃料電池外,還會配備相應的蓄能裝置,如蓄電池、超級電容和飛輪電池等[7],其蓄能裝置可以協助燃料電池為汽車進行供電,減少燃料電池的功率,并且可以用于汽車制動時的能量回收,所以在應用過程中可以顯著提高燃料電池的能量利用率。

1.1.2 按照提供的燃料不同分類

按照提供的燃料不同,燃料電池汽車可以分為直接燃料電池電動汽車和重整燃料電池電動汽車。直接燃料電池汽車的主要燃料為純氫和甲醇等燃料,氫的主要儲存方式為壓縮氫氣和液態氫等。重整燃料電池電動汽車的主要燃料為天然氣、甲醇、甲烷等,其結構較為復雜,并且需要增加重整裝置,將其他燃料轉化為燃料電池所需的氫[8]。

1.2 燃料電池汽車結構

燃料電池汽車主要結構包括燃料電池系統、輔助蓄能裝置、驅動電動機和電子控制系統等。

1)燃料電池系統。其核心為燃料電池電堆,還包括氫氣供給系統、氧氣供給系統和反應物生成處理器等裝置,保證燃料電池堆的正常工作。

2)輔助蓄能裝置。在混合式燃料電池動力汽車中還需要配備輔助蓄能裝置,可以采用蓄電池、超級電容和飛輪電池中的一組,或者采用蓄電池+超級電容、蓄電池+飛輪電池等。

3)驅動電動機。燃料電池汽車驅動電動機主要是將電能轉化為電磁轉矩,并通過傳動系統驅動汽車行駛。也可以采用直流有刷電動機、交流異步電動機等。

4)電子控制系統。電子控制系統主要包括燃料電池系統控制器、DC/DC轉換器和輔助蓄能能量管理系統等,各控制模塊通過總線連接(圖1)。

圖1 燃料電池汽車電子控制系統結構組成

2 燃料電池汽車的關鍵技術

2.1 燃料電池系統

燃料電池系統是燃料電池汽車的關鍵技術之一,直接影響燃料電池汽車的工作性能與發展,目前,降低燃料電池系統的使用成本是發展燃料電池汽車的主要目標。當前控制燃料電池成本的主要方法是減少燃料電池材料的成本、降低加工費用,如膜電極制作、雙電極加工等,除上述問題外,未來應進一步加強燃料電池系統能量管理和變換操作與電堆水熱管理模式的研究等。

2.2 車載儲氫裝置

目前,燃料電池汽車主要以純氫為主要燃料,因此車載儲氫裝置直接影響燃料電池汽車的動力性能和續航里程,目前常見的車載儲氫裝置主要包括高壓儲氫瓶、低溫液氫瓶等,由于氫氣儲存需要很低的溫度環境,因此其成本和功耗較高,未來應進一步提高體積儲氫密度和質量儲氫密度等。

2.3 輔助蓄能裝置

輔助蓄能裝置直接影響汽車控制性能和能量控制優劣,直接影響燃料電池汽車的工作性能和經濟性能,因此,未來應進一步研發高性能的輔助蓄能裝置。目前,主要包括蓄電池、超級電容和飛輪電池。蓄電池具有功率大、密度高等優勢;超級電容具有短時間內大電流充放性能好和循環壽命長等優勢;飛輪電池具有能量密度高、體積小和重量輕等應用優勢。目前主要以超級電容應用較為廣泛。

3 國內外燃料電池汽車發展現狀

3.1 國外研究進展

美國通用公司在1968年生產出了世界上第一輛燃料電池廂式貨車,可以承載最大功率為150 kW的燃料電池,燃料電池采用液態氮,其續航里程可以達到200 km。但是由于技術復雜且燃料電池結構較大,另一方面當時技術人員環保意識較為薄弱,因此該技術沒有進行深入研究與發展。在20世紀90年代,世界各國逐漸開始對燃料電池汽車的研究,并投入大量人力、財力開發燃料電池汽車,取得了一系列研究成果,如表1所示。

表1 國外燃料電池汽車部分研究進展概述

3.2 國內發展現狀

我國對燃料電池汽車的研究主要源于20世紀50年代,但是直到20世紀90年代,世界環境署才支持中國開始燃料電池公共汽車示范研究,我國關于燃料電池汽車的研究才取得巨大進展,其主要發展節點如表2所示。在2008年奧運會期間,我國自主研發20輛氫燃料電池汽車完成了規模化示范運行,并且采用燃料電池汽車組成綠色環保車隊接送參賽人員等。目前,同濟大學等也相繼研制出三代“超越”系列燃料電池汽車,北京清能華通科技發展有限公司與清華大學等共同研發出“清能1號”燃料電池客車,同時,長安、東風和奇瑞等汽車公司也研發出多款混合動力汽車,并且已經達到了國際先進水平。

表2 我國燃料電池汽車部分研究進展概述

4 結論

本研究通過對燃料電池汽車的發展進行系統論述,通過相關研究可知,由于燃料電池汽車價格較為昂貴,儲氫與氫運輸安全性、時效性和高效性還有待完善,因此,燃料電池汽車的產業化發展尚需時日。未來應提高燃料電池汽車的工作性能,如動力性、耐久性、啟動性能和續航里程等,降低制造成本和運行成本,降低燃料電池的生產價格,逐步建立完善的燃料供給體系,建立相應的加氫站、加甲醇站等基礎設施的建設。