甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

  • 原创
  • 2017-11-13 09:59
  • 来源:电动汽车资源网 雷洪钧
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摘要:笔者对甲醇重整制氢燃料电池公交车关键性技术进行解析,予以专业性知识科普。

【电动汽车资源网EV江湖 雷洪钧】21世纪汽车发展方向基本明确,即为“四化”:电动化、氢能化、轻量化、智能网联化。目前电动汽车氢能化的呼声较高,但对汽车行业工程师而言,却是崭新的课题。下面笔者对甲醇重整制氢燃料电池公交车关键性技术进行解析,予以专业性知识科普。

一、甲醇重整制氢燃料电池公交车的基本含义

①氢燃料电池公交车必须是电动车,不是燃油内燃机汽车;

②氢燃料电池公交车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氢燃料电池公交车的车载燃料电池系统氢气供给由车载甲醇重整制氢系统提供,而还有一种瓶装氢能汽车的氢气由地面充氢站提供;

④开发氢燃料电池公交车,其基础是电动公交车,开发氢燃料电池公交车的基本目标是提升电动公交车的续航里程。

二、甲醇重整制氢燃料电池公交车的基本技术单元

①电动公交车是本体技术,本体技术已经基本成熟;

②氢燃料电池是关键技术,关键技术有待进一步完善;

③甲醇重整制氢是技术特色,有别瓶装氢气供求技术;

④甲醇重整制氢燃料电池公交车整车技术是一个亮点。

三、氢燃料电池技术的发展历程

燃料电池是一种电化学反应装置,如图1所示,它是直接将化学能转化为电能。燃料电池与储能电池一样输出端,同样有正负极,电池内部有电解液,只需要将输入端的阴极注入燃料(一般为氢气),输入端的阳极输送空气或氧气,便可产生稳定的电流。

甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

图1 燃料电池电化学反应装置示意图

与传统内燃机的发电方式相比,燃料电池不受卡诺循环限制,因此能量转换效率高,而且具备零排放、无污染、噪声低、安装灵活等优点。氢燃料电池技术经过200多年的发展已经是5代了,如图2所示:

甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

图2 氢燃料电池技术发展5代

注意:图2是按时间发展顺序来划分的,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氢系统的氢气必须要满足,质子交换膜燃料电池(PEMFC)的要求。

四、氢燃料电池系统分类示意图

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,主要有甲醇重整制氢系统供给氢气、瓶装氢气供给氢气两种,如图3所示。

从工作温度,氢燃料电池系统分为低温(100度以下)工作系统和高温(100度以上)工作系统两种。

从产品供应上分,有国外的,有国内的,国内的主要是大连的、北京的、江苏等地。

甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

图3 氢燃料电池系统分类

六、公交车选型甲醇重整制氢技术的基本理由

下面从车辆成本、市场因素、基础设施三个方面,进行比较分析,如图4所示:

甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

图4 车辆成本、市场因素、基础设施三个方面比较

①从产品开发层面的思考,比较分析的结论是:重整制氢燃料电池技术路线比瓶装纯氢路线更具推广优势。

②从短期来看,重整制氢燃料电池技术路线比瓶装纯氢技术路线,其优势更为明显。

③政府产业布局面思考,选择瓶装纯氢路线,对燃料公交车开发而言,技术更成熟。

七、甲醇重整制氢燃料电池系统制氢和发电原理

甲醇重整制氢燃料电池系统氢和发电原理,如图5所示。甲醇重整制氢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。

甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

图5 甲醇重整制氢燃料电池系统氢和发电原理

从图5可以看出,甲醇重整制氢系统的功能是制氢,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,甲醇重整制氢燃料电池系统公交车是甲醇重整制氢系统和燃料电池系统两套总成的组合。

八、甲醇重整制氢系统与燃料电池系统的不足

许多厂家把甲醇重整制氢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)甲醇重整制氢系统的不足

目前工厂甲醇重整制氢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。将工厂甲醇重整制氢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车载系统,其纯度要低一些,需要提高纯度;

②要有一定高温条件,甲醇才有可能裂解出氢,车载系统,高温从哪里来?一定有一个甲醇燃烧过程,裂解起来了以后,就不用燃烧了;

③裂解过程不可能十分彻底到位,会有少许甲醇溢出,甲醇有微毒性。车载系统必须要有可行办法,控制甲醇溢出符合国家有关标准;

④甲醇对金属有一定腐蚀性微量毒性甲醇,如何规避,方法是有的,但是要求工程技术人员去采用。

  2)质子交换膜燃料电池系统的不足

质子交换膜燃料电池系统是燃料电池第5代,以前是技术基本上不能满足车用,仅一项系统启动指标,有的要上10个小时,有的要几个小时,质子交换膜燃料电池系统启动目时间也在要15分以上,其他的不足:

①燃料电池系统的输出特性较软,即应对负载变化能力不足,尤其是负载较重时,该系统能力跟不上;

②燃料电池系统对空气质量要求比较高,如果空气污染比较严重,系统会中“毒”,导致系统不能工作;

③质子交换膜比较娇贵,不能太湿,不能太干。太湿了,不能工作;太干了,交换膜烧坏了。

九、甲醇重整制氢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氢燃料电池系统在公交车应用技术的发展到了第三代,如图5所示。

甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

图5 甲醇重整制氢燃料电池系统应用发展

第三代是在甲醇重整系统与燃料电池系统的基础上,其中间存储单元是超级电容。

十、甲醇重整制氢燃料电池系统公交车实例

1)甲醇重整制氢燃料电池公交车外形

甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

图6 甲醇重整制氢燃料电池公交车

2)甲醇重整制氢燃料电池公交车各子系统结构示意图

公交车里各子系统结构示意图,如图7所示

甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

图7 公交车各子系统结构示意图

3)甲醇重整制氢燃料电池公交车参数及匹配方案

  车辆参数如表1所示,与超级电容器匹配表2所示:

甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

表1 车辆参数

表2与超级电容匹配方案

3)系统拓扑图

公交车里甲醇重整制氢燃料电池电器拓扑图,如图8所示。

甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

图8 电池系统电器拓扑图

4)公交车里甲醇重整制氢燃料电池电路原理图

甲醇重整制氢燃料电池电路原理图,如图9所示:

甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

图9  电池系统电路原理图

5)根据车辆负载变化的控制策略

①在理论上将公交车的负载变化分为4个阶段:

甲醇重整制氢燃料电池公交车技术解析

图10  车辆负载变化状态划分

车辆负载变化状态划分如图7所示。①车辆启动;②车辆常平路运行;③车辆爬坡(下坡)运行;④车辆刹车运行。这个划分为为后面根据车辆负载变化的控制策略的编制提供了理论依据。

②车辆负载变化的控制策略,如图11示。

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图11 车辆负载变化的控制策略

以上控制策略就是混合动力系统的控制策略,理论上是能讲得通的,实际中实施起来是极为困难的。笔者观点,燃料电动系统性能的局限性,作为电动汽车增强器比较现实和合理、科学,而当车辆刹车需要制动能力回收时,由超级电容担当,比设计由储能动力电池更科学些。

十一、解析后的体会

①质子交换模燃料电池技术发展比较快,中国整体技术也不落后,燃料电池技术的推广应用的切入点在公交车,这是全世界汽车界的共识。

②燃料电池公交车的供气方式,是选择瓶装氢方式,还是甲醇重整制氢方式,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,选择甲醇重整制氢方式,也是一条可行道路;

③从工程化来讲,选择甲醇重整制氢方式,产品开发成功概率小于选择瓶装氢方式;

④氢能公交车开发成功的瓶颈还是氢燃料系统,稳定性、一致性及生命周期长短。

(来源:电动汽车资源网EV江湖 雷洪钧)

本文由电动汽车资源网【EV江湖】作者撰写,观点仅代表个人,不代表电动汽车资源网。

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  • 2017-11-13 07:09
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比较客观地分析

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