2024年03月03日 星期日
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氢燃料电池汽车 (系列讲座12)

2019/10/16 14:35:401996

一 氢燃料电池车如何工作 氢燃料电池车是利用燃料电池发出的电力驱动电动机,带动汽车行驶,所以,它是一种电动汽车。一次加氢后,燃料电池车能跑的里程取决于车上所携带的氢气的数量,而燃料电池车的动力特性,如能跑多快、能爬多陡的坡,则主要取决于燃料电池动力系统的功率及匹配。 燃料电池车的动力系统可分为以下三种情况: 1全燃料电池,即汽车的动力全部来自燃料电池; 2燃料电池和电池(或超级电容器,或飞轮等储能设备)的混合系统; 3燃料电池和内燃机组成混合系统。 燃料电池车的基本设计思想是尽量采用小功率燃料电池,并添置辅助动力源,既降低车的成本,又改进车的加速、爬坡等性能。采用燃料电池发动机作为汽车的动力之后,汽车结构会发生重大变化,没有了常规的发动机、离合器、传动轴、万向轴等,汽车的机械零件将被大大简化。化学工业和电子工业在汽车制造中将扮演重要角色。所以有人认为燃料电池汽车是汽车工业的第二篇章。燃料电池车与其他替代燃料车相比,具有明显的优越性洁净无污染,SO 、NO 和颗粒物接近零排放,也不产生CO ,唯一的排放物是水。图1给出使用各种不同燃料的汽车的排放比较,显然,燃料电池车是最环保的,其排放接近零。

燃料电池发动机的噪声低,有资料指出柴油公共汽车在48km/h时噪声达80分贝,而P3燃料电池发动机在48km/h时的噪声仅72分贝,可见燃料电池发动机的噪声要比普通的内燃机小得多。

图1 使用不同燃料车辆的排放比较 燃料电池能源转换效率高(40%以上) ,续驶里程可与汽油车相当;模块式结构,功率可大可小,可按不同需要配置,用于两轮车、三轮车、小轿车及载重卡车等。因此,以燃料电池车为最终目标的新一轮汽车技术创新是世界汽车产业的一次革命。 二 燃料电池公共汽车(FCB)

1993年,世界上第一辆燃料电池大客车由加拿大的巴拉德动力系统公司开发成功。从那时起FCB得到迅速发展。不少城市如美国芝加哥、加拿大温哥华等都举办过燃料电池公共汽车示范。规模最大的是在2004年开始的欧洲燃料电池公共汽车示范计划,参加示范有三十辆姆勒·克莱斯勒汽车公司的燃料电池公共汽车,这种Citaro低地板燃料电池公共汽车,长12米,三 门,设有三十个座位,最多可容纳70名乘客;采用由巴拉德动力系统公司制造的燃料电池发动机,功率大于200kw,最高车速80km/h;压缩储氢罐置于Citaro燃料电池公共汽车的顶部,氢气压力35MPa,续驶里程200~250公里;电机、变速箱、驱动桥及其它辅助机械位于公共汽车后部。2006年第一期示范成功地完成,目前正进行第二期示范。第二期示范包括了北京和澳大利亚琅斯市的各 辆燃料电池公共汽车。图2为2004年在北京Hyforum2004展览会展出的Citaro燃料电池公共汽车。

图2 2004年在北京展出的用于欧洲示范的燃料电池公共汽车 三 燃料电池轿车 虽然燃料电池车技术发展的历史不长,但是到底是谁制造出世界第一辆燃料电池汽车已是不容易考证的问题了。这里仅以戴-克汽车公司为例说明燃料电池轿车的快速发展历程。戴-克公司在1994年推出第一代氢燃料电池车Necar1时, Necar1的车厢里布满燃料电池和氢燃料装置(重达800kg),以至于救护车一般大小的Necar1内只能乘坐2人(包括驾驶员在内)。 1995年,Necar2型车问世,其原型车为Vito牌小型客车。该车设有6个座位,燃料电池组安放在后排座椅下面,两个储氢罐置于车顶部,较前一代车有很大改进,此车最高车速达到110km/h。 1997年秋季,以奔驰牌A系列车为原型的Necar3型燃料电池轿车制成,以甲醇为燃料,用甲醇重整制取氢而供给燃料电池使用。汽车需安装甲醇重整器,因此,燃料电池动力系统和甲醇重整器的匹配成为大问题。实际上Necar3是不成功的,在戴-克公司宣布制成Necar3的消息后,一直没有示范的信息。 1999年2月,戴-克公司的Necar4型燃料电池轿车 仍以奔驰A系列轿车为原型 在美国华盛顿展出,车上的液体氢储罐直接向燃料电池系统提供氢燃料。可供5人乘坐和放行李。最高车速为145km/h,加注一次燃料汽车可连续行驶450km。 2000年Necar5型车问世,实际上是Necar系列的修正版。与Necar4型车相比,燃料电池动力系统外形尺寸大为缩小,燃料电池组的体积较上代车缩小二分之一,只有80cm×40cm×25cm,质量减少三分之一,输出功率提高至75kw,相当于1.8L汽油机。甲醇重整器尺寸比Necar3型车的缩小三分之一,而效率则提高50%。此车装用的异步感应电动机也比上一代车的性能更好、质量更轻、价格更低。所有这些改进措施,使整车自质量减少300kg。该车最高时速为150km,加注一次燃料可连续行驶的路程比Necar3延长200km。

2001年以后,公司开发了更加实用的F-Cell型燃料电池小轿车。其性能与Necar5相当,只是燃料由甲醇改为高压氢气。由于省去甲醇重整系统,使得该车的造价大为降低。此时的燃料电池轿车已经和普通汽油车在外形和内部空间上没有区别。

图3 戴-克汽车公司F-Cell燃料电池轿车在Hyforum2004展出 除戴-克公司外,世界上所有著名的国际汽车制造商,如通用、福特、丰田、本田等都在开发燃料电池车,并且各有特色。由于篇幅关系,这里不再一一列举。 四 我国的燃料电池车 在我国,科技部一直重视燃料电池车的开发,在“九五”期间开始支持燃料电池车的研究,在“十五”期间加大支持力度,拨款3.8亿元人民币支持燃料电池车。燃料电池轿车由上海同济大学负责,燃料电池公共汽车由清华大学负责。2004年5月25~28日在北京举办了第二届国际氢能论坛,2004年5月25日是中国燃料电池车发展史上值得记忆的日子,这一天,我国自主开发的燃料电池公共汽车和世界最先进的德国戴-克汽车公司的燃料电池公共汽车一起列队驶过天安门,开到人民大会堂前,为Hyforum2004的成功召开,增添了光彩,为我国氢能工业长了志气。

图4为我国自行研制的燃料电池公共汽车,其性能参数见表1。图5为我国自行研制的燃料电池轿车,其性能参数见表2。

图4 我国自行研究的燃料电池公共汽车

表1 我国燃料电池客车第一辆原型车参数

图5 我国自行研究的燃料电池轿车 超越1号

表2我国燃料电池轿车第一辆原型车参数 我国还通过燃料电池车的国际合作推动燃料电池车的发展。燃料电池车国际合作项目不少,其中,影响最大的要算全球环境基金(GEE)、联合国开发计划署(UNDP)和我国科技部(MOST)合作的燃料电池公共汽车示范项目。 GEE和UNDO希望共同推进在发展中国家开发燃料电池公共汽车项目。中国是几个发展中国家里最积极发展燃料电池车的国家,在我国执行的GEE/UND/MOST项目费用大约为3600万美元,中方支付其中的2/3,远远超出其他发展中国家所承担的份额。 目前,正在进行项目的第二阶段,德国的戴一克公司为北京提供的3辆燃料电池车正在北京街头示范。在上海示范的项目也在积极筹备之中。

图6为2004年11月在北京农业展览馆举行的北京燃料电池公共汽车示范车交接仪式。

图6 北京燃料电池公共汽车示范车交接仪式 我国燃料电池车的发展是按照先由企业、学校带头,然后政府支持的模式逐步发展起来的。我国最早自行设计制造 实验了七辆不同型号的燃料电池样车,大部分是由这样的模式开发的。

我国的第一辆燃料电池车于1999年12月在清华大学试验成功(见图7)。我国第一个燃料电池民营企业北京富原公司提供自制的5kw PEMFC燃料电池堆,燃料电池由氢气和氧气驱动。车的长×宽×高为3.6m×1.3m×2.0m,乘员8人,最高速度达拓20 km/h,一次加氢的续驶里程为80km。接着,其他公司也开发了多种燃料电池车辆。如2000年底,上海神力公司制成另一辆燃料电池观光车,车的参数和性能与清华大学-富原公司的车相当,不过,由于改为氢和空气驱动,原来存放氧气瓶的空间也放置氢气瓶,续驶里程加倍。

图7 我国第一辆燃料电池车 2001年2月,北京飞驰绿能公司成功示范可乘坐4人的“燃料电池奥运场地指挥车”,车的尺寸为3.6m×1.3m×1.5m,最高速度可达34km/h,加一次氢气可行驶150km。2001年4月16~19日北京飞驰绿能公司在北京举办的国际高新技术展览会上展出了另外两辆燃料电池车。一辆是燃料电池中巴,另一辆是燃料电池出租车。 五 制定符合中国国情的燃料电池车发展战略 目前燃料电池车的发展面临两个大难题:即氢气的供应不方便和燃料电池车价格过高。针对这样的问题,我们一方面要建设加氢站及供氢网络,要提高技术水平以降低燃料电池车成本。另一方面,也要制定合理的燃料电池车发展策略去适应当前燃料电池车的现实。对于我们 目前正在研究、开发的各种燃料电池车辆,政府应将有限的财力投人大型燃料电池车,而燃料电池观光车、燃料电池摩托车、燃料电池自行车等则由企业自行发展。在政府支持的燃料电池车中,要优先发展氢燃料电池大客车、公共汽车。

欧美等国的氢能汽车研究方向主要以燃料电池小轿车为主,可在我国,虽然这种小轿车是发展方向之一,但首先发展氢燃料电池公交车并使其商业化更符合我国的实际。其理由很明显:一是公交车线路固定,停靠站固定,这样便可以在公交车集中的地点建加氢站,有效解决氢能发展初期加氢站少的问题。二是公交车车体宽大,对燃料电池的体积要求不那么严格,如何布置发动机、电池、传动等各项部件有较宽松的空间,成本不会太高。而相比较来说,小轿车的空间十分有限,对燃料电池等各部件的技术要求十分严格,成本自然会很高。三是一辆公交车一般可容纳70~80人 ,而小轿车一般容纳4~5人。公交车一天运行8小时以上 ,家庭用小轿车每天大多是在上下班时使用,总计约2小时左右,可见公交大客车的社会效益比小轿车高得多。四是我国对公交车之类大客车的需求量比西方国家大许多,而我国与欧美相比技术上的差距,公交车要比小轿车小得多,在不长的时间内设计出外形美观、价格合理的氢能公交车是有可能的。