发展燃料电池汽车技术途径研究

　　目前,地球上的石油资源日益短缺,大气环境日益恶化,为此,世界汽车界的许多研究机构在发展燃料电池作为零排放和超低排放汽车动力等方面做了大量的研究工作。用燃料电池做动力源应该是解决石油资源缺乏的有效途径之一。本文着重对燃料电池汽车的动力性水平进行分析验证,并介绍其能量管理策略,以阐明发展燃料电池汽车在技术上的可行性。

　　能源的匮乏和环境的污染
　　
　　能源是人类赖以生存的五大要素之一,根据国际上通行的能源预测数据,石油和天然气将在40-60年内枯竭,煤炭也只能用到2220年。就我国来说,石油进口依存度(净进口与消费量之比)也在不断上升(见表1)。据专家预测,2015年前后可能发生第三次世界石油危机,现有的能源资源已经很难在长期内满足人类的需求,寻求新型能源和替代能源已经成为人类社会发展的必然。
　　
　　汽车在给人类带来便捷和文明的同时,也成为能源的最大消耗者,成为破坏环境的元凶。汽车排出的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物和可吸入颗粒物等,已成为破坏城市大气质量的罪魁祸首;排放的二氧化碳气体,是产生温室效应的主要原因。有关统计数据表明,汽车排放污染物已成为我国许多城市空气的主要污染源,在世界污染最严重的城市中,北京榜上有名。目前,我国的经济水平不断提高,汽车保有量也迅速增加,如果忽视了对汽车污染物的控制,我国的自然环境和生态平衡将会受到极大的破坏,从而影响我国更进一步的发展。
　　因此,在节约汽车使用能源的同时,控制汽车有害物排放、保护环境,已成为我国实施环保节能型社会可持续发展战略的重要组成部分。
　　
　　“绿色”汽车
　　
　　我国油品质量比较差,无论是国产车还是进口车,在相同的工作条件下汽车排放的有害气体比发达国家要高出很多。提高燃油品质和采取排放控制技术固然有效,但从目前的发展趋势看,要想彻底解决汽车污染的问题,发展“绿色”汽车是当务之急。发展“绿色”汽车显然比对尾气进行末端处理的传统观念更能适应人类对环境保护的强烈要求。
　　“绿色”汽车主要包括替代能源汽车和电动汽车。替代能源汽车,主要是大力开发推广代用燃料,包括液化石油气(LPG)、天然气(CNG)和醇类燃料等。替代能源改变了传统能源的结构,是降低排放物的重要措施,也是当前我国汽车工业发展的一个热点。尽管目前替代能源资源存在着地域限制,但只要能充分利用当地资源,就是解决我国石油资源短缺的一个重要措施和途径。
　　电动汽车分为可充电的蓄电池汽车、燃料电池汽车等,它具有舒适、干净,无发动机噪声和振动,能源利用率高等优点。
　　对于燃料电池汽车来说,它的燃料——氢在自然界中有丰富的含量,所以不存在资源短缺的问题。在燃料电池汽车的工作过程中,它的能量转换物是水,所以燃料电池汽车是真正意义上的“绿色”汽车。
　　
　　燃料电池汽车
　　
　　1.燃料电池汽车系统组成
　　目前典型的燃料电池汽车系统有如下几个主要部件:储气罐,用以储存氢气(若燃料是甲醇等气体还包括相应的转换器);燃料电池;DC/DC转换器,DC/AC逆变器;电动机(MOTOR)及相应的减变速器等;电池组作为辅助能源。
　　
　　2.燃料电池的特点
　　一是能量转换效率高。燃料电池能把在燃料中存储的能量,以大约90%的效率转化为可以利用的电能和热能。目前,磷酸型燃料电池(PA燃料电池)的电能转化率为40%-50%,熔融碳酸盐燃料电池(MC燃料电池)的发电效率大于50%,而且燃料电池的效率与它的规模和负载无关。目前汽轮机或柴油机的效率最大值为40%-50%,当用热机带动发电机时,其效率仅为35%-40%,而燃料电池可达60%-70%,其理论能量转换效率可达90%。
　　二是可靠性好。燃料电池发电装置由单个电池堆叠至所需规模的电池组构成,由于这种电池组是模块结构,因而维修十分方便。另外,当负载有所变动时,燃料电池会很快响应,故无论处于额定功率以上过载运行或低于额定功率运行,它都能承受,且效率变化不大。这种优良性能使燃料电池在用电高峰时可作为贮能电池使用。

　　三是清洁低噪声。燃料电池能提高空气质量,减少水的消耗和废水的排放,其排放量能满足目前国际上最严格的排放标准。对于氢燃料电池而言,发电后产物只有水,可实现零污染排放;对于醇类燃料电池来说,其排放物中有少量CO、CO2,但NOx为零。另外,由于燃料电池无热机活塞引擎等机械传动部件,故消除了噪声。
　　四是适用性强。燃料电池的燃料来源更多更广,可从根本上消除汽车能源短缺甚至枯竭之忧。由于燃料电池使用的直接燃料是氢,而获取氢的途径又是多种多样的,所以,从理论上讲,地球上的氢能是取之不尽、用之不竭的。从近期和中期看,用于燃料电池的氢从富含氢的石化燃料(亦可称之为燃料电池的间接燃料)制取在技术上比较可行,成本较低。例如,可从天然气、甲醇、汽油里制取。从长远或更遥远看,可从水里提取氢和生物制氢(通过太阳光分解水而获得)。众所周知,水和生物(这里不仅指植物,还包括一些具有相似功能的微生物)是自然界最常见、最多的,一旦技术上取得突破,成本就可降至实用化。
　　
　　燃料电池汽车动力性技术分析
　　
　　燃料电池汽车的动力来源与普通汽车不同。虽然其环保节能性具有毫无疑问的优势,但其动力性表现是否能满足人们正常行驶的要求呢?人们知道,体现汽车动力性的三个主要方面是加速性、最高车速和爬坡度。本章将结合同济大学超越3号燃料电池汽车,对其动力性表现的以上三个主要方面进行校核计算,以验证燃料电池汽车的动力性。
　　
　　燃料电池汽车能量管理系统及能量管理策略
　　
　　通常,燃料电池汽车运行过程中,主电路电流变化比较大。主电路电流的大小不仅影响系统的散热与正常工作,而且还直接影响燃料电池放电性能与使用寿命,同时也影响燃料电池汽车的续驶里程。
　　当采用交流感应电动机时,燃料电池汽车主电路是指给燃料电池汽车正常行驶所需能量的电路,即燃料电池与压缩机之间的电路,燃料电池到控制器或逆变器之间的直流电路和逆变器与交流感应电动机之间的交流电路,另外也包括由辅助能源——电池组与逆变器和燃料电池连接的电路,这四条电路称之为燃料电池汽车的主电路。
　　为了合理有效的使用能量,确保燃料电池汽车各系统在各种工况下安全、高效的工作,增加汽车的续驶里程,延长电池等电器部件的使用寿命,对燃料电池汽车的动力源燃料电池和电池组进行能量管理是十分必要的。
　　燃料电池汽车能量管理系统主要由传感器组(电流、电压、温度、压力),计算机信号采集、处理和分析模块,多功能显示器和控制执行单元构成。先进的能量管理系统构造及其复杂的传感器对单个燃料电池和蓄电池的电压、电流、温度等信号进行测试,将这些数据送入控制中心——计算机,根据电池充放电和寿命指数模型对每个单体电池进行分析,以确定其状态,并能通过多功能显示器告诉驾驶员或通过系统控制器直接控制各种参数和控制汽车的运行。多功能显示器主要告诉操作人员以下信息:系统电压、燃料储备或消耗量、已运行里程、还能运行多少里程、系统充电警告、是否有已损坏的电池、电池寿命估算等。具有先进的能量管理系统的燃料电池汽车,可以显著延长电池的使用寿命。
　　电池能量管理系统要完成的基本任务有如下几条:
　　一是对电池组中每块电池的端电压和温度进行采集,对每组电池充放电电能进行实时采集,建立每块电池的使用档案。
　　二是随时预报燃料电池汽车储氢量和储能电池的剩余能量,使司机心中有数。
　　三是电池需要放电时及时报警,以防止电池放电过度而影响其使用寿命。
　　四是当给电池充电时,能量管理系统根据检测的有关数据确定每块电池的充电状态,弥补电池组在充电过程中由于各电池的不均衡性而造成某些电池过充电或欠充电的问题,有利于延长电池的使用寿命。
　　五是合理分配电池能量在燃料电池汽车上的使用,有利于节能。例如,在燃料电池汽车起动、爬坡和加速过程中,应暂时关闭空调等耗电量大的电器,并使蓄电池配合燃料电池供电,控制电池放电电流。
　　由于燃料电池的电化学副产物是含有热能的热水和低温蒸汽,因此对水和热的有效管理和利用也是能量管理系统的一个方面。
　　考虑到充满电的电池组可以行驶大约300多公里,而载备更多的电池会对车重产生影响,所以在不断完善能量管理系统的同时,如何使燃料电池汽车快捷便利的充电续驶,是下一个更实际的努力目标。
　　
　　结束语
　　
　　综上分析,燃料电池汽车在动力性方面完全可以满足一般需求。而在排放方面,由于只有水和二氧化碳,所以除了考虑解决温室效应的问题,污染物几乎为零,是很理想的环保产品。燃料电池具有内燃机不可比的特性和发展趋势:燃料电池所用的燃料具有通用性,燃料电池几乎适用于所有燃料,即使将来石油等燃料用尽,也不威胁它的生存;燃料电池具有包容性,除不用内燃机和相关的传动部件外,现有汽车所有的部件和技术都可直接用在燃料电池汽车上;在能量管理方面也十分科学和人性化,因而易被市场接受。燃料电池的基本技术已相当坚实,而部分专家也已在着手研究充电续驶管理方面的更有效方案。目前,国家和相关部门对燃料电池汽车的大力支持将使其在今后取得飞速发展。据专家预测,燃料电池将是挑战21世纪、改变未来世界的新能源,燃料电池汽车将是21世纪汽车工业的新希望。
　　
　　注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”