（机械电子工程专业论文）氢能源汽车高压供氢系统特性分析.pdf

摘要 摘要 本课题以国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 先进能源技术领域专题课 题“4 5 m p a 以上的氢气增压、压力控制和调节技术研究 为依托，通过分析国 内外大量文献资料，介绍了氢能源的制取、贮存和利用，氢能源汽车的发展背 景，氢能源汽车的类型、结构和工作原理。 提出了车载供氢系统的功能要求，提出供氢系统的零部件方案，设计了供 氢系统气动原理方案，并设计加氢系统的单级加氢方案和多级加氢方案。 供氢系统的加氢过程可简化为气动控制系统中的固定容器的充气过程，建 立其数学模型，为加氢特性的研究提供理论基础；分析影响加氢特性的因素； 分别针对3 5 m p a 和7 0 m p a 车载气瓶，提出不同的多级加氢方案，分析不同的 加氢控制策略下的加氢特性。 提出使用范德瓦尔斯方程作为计算储氢质量的理论方程，推导了范德瓦尔 斯方程的其他应用形式；分析了影响储氢质量的因素；按季节来估算最大储氢 质量；对极限环境温度条件下的气瓶压力特性进行分析。 根据氢能源汽车的工作原理，建立数学模型，得出了汽车在不同车速下进 行行驶时，动力系统对输氢量的要求；分析影响燃料经济性的因素；通过对输 氢过程进行简化，建立数学模型，得到输氢特性的理论结果。 以“超越三号”燃料电池轿车这一具体车型为例，运用以上理论分析方法， 结合工程试验结果和本研究的理论结果的对比，进行加氢、储氢和输氢工作性 能分析。得出的储氢质量、燃料经济性和行驶距离等技术参数的理论结果，与 试验结果基本一致。验证了本理论研究分析方法的合理性。 关键词：氢能源汽车，供氢系统，加氢特性，储氢质量，输氢特性 a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t t h er e s e a r c ht o p i cr e l i e so n r e s e a r c ho nb o o s ta n dc o n t r o lt e c h o n o l e d g eo f p r e s s u r eu pt o4 5m p a t h a ti s8 6 3s u b j e c ta b o u ta d v a n c e de n e r g yt e c h o n o l e d g e ， r e v i e w e sal o to fl i t e r a t u r em a t e r i a l sa n di n t r o d u c e sd e v e l o p m e n t a lb a c k g r o u n d ，t y p e ， s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fh y d r o g e ne n e r g yv e h i c l e s d e s i g nc o m p o n e n ts c h e m eb a s e do nf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fh y d r o g e n s u p p l ys y s t e mp r o p o s e d ，a n dp r o p o s e dt h eo v e r a l ls c h e mo fh y d r o g e ns u p p l ys y s t e m d e s i g ns i n g l e - s t a g ea n dm u l t i l e v e lh y d r o g e n a t i o ns c h e m e so fh y d r o g e n a t i o n s y s t e m h y d r o g e n a t i o np r o c e s si ss i m p l i f i e da si n f l a t a b l ep r o c e s so ff i x e dc o n t a i n e r so f t h ep n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，s e tu pt h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h es t u d yo ft h e h y d r o g e n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y z e t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h eh y d r o g e n a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s f o r35 m p aa n d7 0 m p ac y l i n d e r s ，p r o p o s er e s p e c t i v e l ym u l t i s t a g e h y d r o g e n a t i o ns c h e m e s ，a n da n a l y z eh y d r o g e n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c su n d e rd i f f e r e n t h y d r o g e n a t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e s p r o p o s e dv a n d e r w a a l se q u a t i o na st h et h e o r e t i c a le q u a t i o nf o rc a l c u l a t i n gt h e h y d r o g e nq u a l i t y , o t h e rf o r m u l e a sh a v eb e e nd e r i v e df r o mv a n d e r w a a l se q u a t i o n s a n a l y z et h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h eh y d r o g e nq u a l i t y ；m a d eo nas e a s o n a lb a s i st o e s t i m a t et h em a x i m u mh y d r o g e ns t o r a g eq u a l i t y a n a l y z et h ec y l i n d e rp r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h el i m i tt e m p e r a t u r e a c c o r d i n g t o w o r k i n gp r i n c i p l e o fh y d r o g e n e n e r g yv e h i c l e s ，s e tu p a m a t h e m a t i c a lm o d e lt oo b t a i nh y d r o g e nv o l u m er e q u i r e m e n t so ft h ep o w e r t r a n s m i s s i o ns y s t e m a n a l y z et h ei m p a c tf a c t o r so ff u e le c o n o m y t h r o u g h s i m p l i f i n gh y d r o g e nt h a n s p o r tp r o c e s s ，s e tu pm a t h e m a t i c a lm o d e lt oa b t a i n h y d r o g e nt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s f o r ”c h a oy u e ”h y d r o g e ne n e r g yv e h i c l e ，u s et h ea b o v et h e o r e t i c a la n a l y s i s m e t h o d s ，c o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n g t e s t r e s u l t s ，t oa n a l y z eh y d r o g e n a t i o n , h y d r o g e ns t o r a g ea n dt h a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e o b t a i nt h eh y d r o g e ns t o r a g e q u a l i t y , f u e le c o n o m ya n dd r i v i n gd i s t a n c e a st e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，w h i c ha r e b a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h es t u d y r e s u l t s k e yw o r d s ：h y d r o g e ne n e r g yv e h i c l e ，h y d r o g e ns u p p l ys y s t e m ，h y d r o g e n a t i o n c h a r a c t e r i s t i c ，h y d r o g e nq u a l i t y h y d r o g e nt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：、罗4 - o 矽 呷引胪日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 甲札矽 叩年弓月知日 第1 章引言 1 1 课题背景和意义 1 1 1 课题背景 第1 章引言 在当今世界经济高速发展的推动下，汽车工业发展迅猛，汽车保有量在不 断地呈现上升趋势，而石油等资源却捉襟见肘，另一方面，吞下大量汽油的车 辆不断排放着有害气体和污染物质。为保护生态环境，促进低污染排放汽车的 生产和消费，推进汽车工业技术进步，世界各国都在大力发展新能源汽车。 新能源汽车的概念虽然众多，但是简单说来无外乎蓄电池车，天然气( l g p ) 车，太阳能车，混合动力车，氢燃料电池车等这几种。其中最被众多人看成是 终极解决方案的应该是氢燃料电池作为动力的汽车。究其原由，主要是氢能是 一种极为优越的新能源，其作为汽车燃料有以下优点【l _ 2 】： ( 1 ) 燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油的3 倍，酒精的3 9 倍，焦炭的4 5 倍。 ( 2 ) 燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。 ( 3 ) 资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源，演义 了自然物质循环利用、持续发展的经典过程。 1 1 2 课题意义 燃料电池汽车直接利用氢和氧发生化学反应产生电能，排出纯水，是高效、 清洁的新能源汽车。氢能源汽车多采用高压储氢。为保证一次加氢后行驶距离 达2 0 0 k m ，通常储氢压力要求在3 5 m p a 以上；要保证一次加氢后行驶距离达到 5 0 0 k m ，储氢压力则要求高达7 0 m p a 。国内外各大汽车厂商证在加紧研制和推出 具有7 0 m p a 超高压氢气储存容器的氢能源汽车【3 1 。 先进适用的氢气输运技术是氢能利用的关键之一。为此，本课题研究氢气 输运环节中的车载高压供氢系统的关键技术，提出车载供氢系统方案，研究氢 第1 章引言 气加注、储存和输送工作过程的特性分析方法，为供氢系统的设计开发提供理 论依据。 1 2 氢能源汽车用氢的制取、贮运和利用 建立一个可持续的最清洁的氢能系统，需解决制氢、贮运和终端利用三个 问题。氢能的开发利用首先要解决的是廉价的氢源问题。储氢技术是氢能利用 实用化和规模化的关键，在氢能利用方面，燃料电池发电系统是实现氢能应用 的重要途径。 目前世界所生产的氢大部分是通过天然气蒸汽重整在煤油厂或化工厂生产 的。生产的氢通常就地消耗，不在市场上出售。当前，氢的最大用户是化工部 门，用作石油煤制和生产合成氨、塑料、溶剂，合成甲醇和其他工业产品的原 料。约有5 的氢是以液氢和氢气的形式通过卡车和管道送到别的地方，这一部 分氢可认为是“市场销售的氢”。目前，氢作为燃料的另一个用途是空间方面， 作为航天动力燃料和为运载工具提供电能、水的燃料电池的燃料睁引。 ( 1 ) 制氢方法 氢能是一种二次能源，在地球上自然氢的存在极少，因此必需将含氢物质 分解才能得到氢。最丰富的含氢物质是水，其次是各种化石燃料和各种生物质 等。要开发利用清洁的氢能，必须首先开发廉价氢源，即研究开发各种制氢方 法。 采用化石燃料制氢是目前生产氢最主要的方法，但是化石燃料储量有限， 并且制氢过程对环境会造成污染，从长远来看是不可持续的。从可持续的观点 来看，以水为原料制取氢气是最有前途的方法，原料取之不尽，而且氢燃烧释 放能量后又生成产物水，不造成环境污染。其它各类含氢物质转化制氢的方法 目前尚处于次要地位，有的正在开发，随着氢能应用范围的扩大，也将是一种 提供氢源的方法【6 。 ( a ) 蒸汽甲烷重整 这是目前最常用的和最廉价的生产氢的方法，该方法包括在催化反应器中 加热甲烷( o h 4 ) 。天然气的主要成份为甲烷。在这一过程中分解氢原子，然后在 这一过程中加入蒸汽分解出更多的氢，二氧化碳为副产品。世界约一半的氢产 量来这一已完全商业化的制氢，主要用于化工总部门。提高这一方法的能源效 2 第1 章引言 率减少资源消耗和c 0 2 排放，提高比方法的经济性。 ( b ) 煤气化制氢煤通过气化也可以重整制氢 这是一种商业化的制氢方法，只有在天然气昂贵的地方这种方法才能与甲 烷重整制氢法相竞争。世界煤炭资源丰富，煤可作为制氢的主要原料。中国和 印度有丰富的煤炭资源。在北京举行的2 0 0 0 年世界氢能大会上，中国和意大利 宣布了煤气化制氢的合作计划。 ( c ) 部分氧化法制氢可通过石油、汽油和甲醇制取氢 以重油为原料部分氧化法制取氢气，即重油与水蒸汽及氧气反应制得含氢 气体产物。部分重油燃烧提供转化吸热反应所需的热量及一定的反应温度。气 体产物组成为氢气4 6 纵体积) 、一氧化碳4 6 ，二氧化碳6 。该法生产的氢气 产物成本中，原料费约占三分之一，而重油价格较低，故受人们重视。部分氧 化法已是商业化的方法，但该法要求采用纯氧，和煤气化制氢一样，与蒸汽甲 烷重整制氢相比，效率较低，排放较多的二氧化碳。 ( d ) 生物质制氢采用两种方法从生物质制取氢气 第一种方法和采用煤制氢一样，通过生物质气化制氢。第二种方法是热解 制氢，生物质加热裂解形成油类而后用蒸汽重整制氢。生物质资源丰富，是重 要的可再生能源。这种方法适用于发展中国家生物质资源较丰富的地区。 ( e ) 电解水制氢 电解水制氢是一种成熟的有发展前途的制氢方法，该法是采用电能将水分 解为氢和氧原子。电解水制氢的效率一般在7 5 - - , 8 0 ，其工艺过程简单，无污 染，但耗电量大，因此其应用受到一定的限制。电解水制氢的电耗一般为4 5 5 5k w h m 3 。正在开发的新工艺有：固体电解质电解水制氢，可简化流程，提高 制氢效率和降低能耗；高温水蒸汽电解工艺，电耗可降低到3k w h m 3 。对生产 小量特别纯的氢来说电解水制氢法已经是成本效益的。但该法对大规模制氢的 来说是昂贵的，主要是电能成本的原因，电解水制氢的成本目前平均是以化石 燃料为原料制氢的3 5 倍。 采用可再生能源电解制氢可导致清洁的氢循环，这也是潜在的巨大的氢源。 j x l 能和太阳能发电制氢可满足预计的全球能源需求，但其提供能源的成本比天 然气制氢高些。过去十年期间在芬兰，德国，意大利，沙特阿拉伯，西班牙， 瑞士和美国一些地区，对太阳能和风能发电电解水制氢系统进行了示范。在迪 拜( 阿联酋) 和某些太阳能带地区目前对太阳能一氢能系统进行了可行性研究。 3 第1 章引言 地热能发电电解水制氢也具有发展前途，冰岛，挪威和瑞典等国家具有廉 价的水电，可成为第一批大规模可再生能源发电电解水制氢的国家。加拿大b c 水电公司和斯图尔特( s t u a r t ) 能源系统公司正在温哥华兴建一座水电制氢的燃料 供应站。 氢生产法的“生命周期”比较表明，可再生能源发电电解水制氢比天然气 生整制氢在环境方面有优越性，但目前其能源效率较低，因此要研究提高可再 生能源发电的效率。 ( f ) 其他制氢方法 目前在研究中的其他制氢方法有：光解制氢，将阳光直射到半导体上，无需 电解来分解水制氢；生物分解制氢。采用生物方法也是另一种制氢的可能方法。 生物体中大部分产生大量的氢。美国加州大学( 伯克利) 正在试验改变绿藻的代 谢作用来生产氢。 其他在研究中的含氢物质制氢的方法还有从硫化氢( h 2 s ) 制氢。国外进行过 研究。我国有丰富的h 2 s 资源，河北省赵兰庄油气田开采的天然气中h 2 s 的含 量高达9 0 以上，其储量高达数千万吨，是一种宝贵的氢资源。 ( 2 ) 氢的储存 作为一种优良的能源载体，氢必须以经济的方式储存和输送，由于氢气的 能量密度低，因此氢的储存面临巨大的挑战。储氢技术有许多种，在开发中的 固定应用和车载应用的储氢技术主要有：压缩气体储氢，液氢，金属氢化物储 氢，碳基材料储氢。那一种储氢方式更适合于应用取决于这样一些因素：应用场 合，所需的能量密度，储存量和储存时间，可获得的能源形式，维护要求，基 本投资和运行成本。一般来说地下储氢适用于长时间大量储氢。液氢适合于长 时间大量储氢。压缩气体储氢适合于短期小量储氢。碳纳米管适合于小量储割”。 ( a ) 压缩气体储氢 氢气以高压气态方式储存在地上、地下或瓶装车载应用，用压缩气体系统， 高压气态瓶装储存，压力为1 5 m p a 左右。欧洲有一些大规模储氢系统。德国基 尔市自从1 9 7 1 年以来将城市煤气( 含氢量约为6 0 ) 储存在洞穴中。法国天然气 公司将富含氢的煤油在产品气体储存在蓄水层结构中。英国帝国化学工业公司 将氢储存在靠近蒂赛德的盐矿洞穴中哺】。 对车载应用储氢，压缩氢所由于仅需压缩机和压力容器是最简单和目前最 廉价的方法，但其储能密度低，约为汽油的十分之一。提高储存压力则增加成 4 第1 章引言 本，存在安全问题。目前在研究和其他复合材料高压容器以提高储能密度，减 轻容器重量而不产生附加的安全问题。 m ) 液氢储氢 液氢是较好的储氢方式，可用于固定装置或车载系统。氢的液化通过几个 步骤来完成，每一步骤压缩和冷却氢以形成稠密的液态氢。液氢必须在低于2 5 0 下储存。液氢在固定装置上应用的主要缺点是储存费用为压缩氢气的4 - 5 倍， 尽管液氢的运输成本非常低，在车上储存液氢的主要缺点是液化成本高和停放 的汽车上小型绝热容器中会产生大量液氢“蒸发”损耗 9 - 1 0 】。 ( c ) 金属氢化物储氢 采用金属化物是一种崭新的储氢方式。金属氢化物可将氢结合在金属的原 子间品格中。通过冷却可将氢吸收到品格中。通过加热而释放氢，这些反应的 温度和压力取决于氢化物的具体结构。氢化物通常可在低的气压下吸收氢，加 热时在较高的压力下释放氢。金属氢化物目前的缺点是重量大，密度低，需消 耗能量重新储氢，成本较高。在氢的总成本中储氢成本占很大的比例，则特别 小的每天应用系统( 例如汽车) 预计其成本可与其他储氢技术相竞争。 ( d ) 碳基储氢系统 目前这种储氢方法尚处于初期开发阶段，具有很强的储氢能力。目前开发 中的有两种系统：单壁碳纳米管，由分子尺寸的微孔组成，根据美国国家可再生 能源实验室的报导，氢的吸收率可达到5 - - - 1 0 ；石墨纳米纤维，为纳米晶体堆 组成，可形成微孔壁，预计有优好的储氢能力。纳米碳储氢技术的突破可实用 于氢燃料汽车上。 也可考虑化学氢化物作为车载储氢手段。像加拿大这样水电丰富的国家， 甲醇和氨也可作为季节性的储氢手段。加拿大在夏季有大量剩余的水电，在冬 季则水电不足。采用这些化学储氢载体的优点是，可利用现有的运输和储存基 础设施，制甲醇和氨的技术工艺已商业化以及较容易进行液体和储存处理。 ( 3 ) 氢的运输 氢的运输方式有多种方式：管道输氢，适用于大规模长距离输氢；液氢输送， 运用于长距离输氢；压缩氢气输氢，适用于小量短距离输氢；金属氢化物输氢， 适用于短距离输氢；金属氢化物输氢，适用于短距离输氢。 目前最常用的输氢方法是，采用双壁绝热油罐限制液氢的蒸发损耗，采用 油罐卡车输氢，液氢也可以用金属氢化物的方式，装入卡车或单节和动有轨车 第1 章引言 进行运输。目前在考虑的输氢方案有驳船输氢或其他海上运输船只。加拿大和 日本已制定了横渡大西洋运输氢的船舶设计。但是，氢一旦运到陆地，用铁拖 车和管线运输，在前两者的情况下则需要高压压缩。输送氢气最有效的方式是 通过地下管网。这些地下输氢管线与目前输送天然气的管线相类似，但应调节 到能处理相对于天然气来说氢气较低的能量密度和较高的扩散率。因此在发展 新的基础设施时，确保新的天然气管线能适应输氢的要求是十分重要的。在美 国，加拿大和欧洲已有管线输氢气。自从1 9 3 9 年以来德国输氢管线一直在运行 中。目前世界上最长的输氢管线是法国液气公司( a i r l i q u i d e ) 的从法国北部到比 利时4 0 0 公里长的输氢管线。在墨西湾沿岸和大湖地区周围，美国具有7 2 0 公 里以上的输氢管线。 ( 4 ) 氢的利用 建立可持续的氢能系统最后的一个关键问题，是将氢燃料经济地用于内燃 机、燃气轮机和燃料电池中。目前用氢作燃料的内燃机研究的目的将其用于汽 车上：巴伐利亚汽车公司( b m 在2 0 0 1 年初期开始了液氢汽车的“世界周”。阿 尔斯通、西屋公司和三菱公司等将氢用作燃气轮机的燃料。然而，从长远来看， 燃料电池将是氢无污染地转换成电能的最佳方案，可以真正做到零排放。 燃料电池的基本概念和试验是1 8 3 9 年由英国物理学家w r 格罗夫 ( w r g r o v e ) 最早提出和发现的。燃料电池是一种化学电池，它利用物质电化学 变化释放出的能量直接变换为电能。这种发电方式没有污染，排放物中只有少 量氧化氮，其中，以纯氢为燃料的效率最高。燃料电池的发电效率是各种发电 方法中最高的。燃料电池的发电效率，既达值为5 0 - - 7 0 ，目标值为7 0 - 8 0 ； 太阳能电池的发电效率，既达值为5 1 5 ，目标值为1 5 3 0 ；汽油发电机的 发电效率既达值为2 0 - 2 5 ；柴油发电机发电的既达效率值为2 5 - - - 3 5 ；汽轮 机发电的既达效率值为3 0 - 4 2 ；磁流体发电的目标效率值为5 5 ；热电子发 电机发电的既达效率值为8 1 5 ，目标效率值为1 5 一- 4 5 ；整体煤气化联合循 环的发电效率既达值为4 0 - 4 3 ，目标值为4 3 - 5 3 。燃料电池与其他化学电 池如一次电池( 干电池) 、二次电池( 各种可充电电池) 不同，只要连续向其提供 活性物质燃料或氧化剂，即氢和氧( 空气) ，就能连续发电。通俗地说，燃料 电池是一种利用水电解制氢的逆反应原理的“发电机”。 2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代，燃料电池主要用于宇航事业，燃料电池得到了 很大发展，例如，美国国家航空和航天局( n a s a ) 采用重量轻但造价昂贵的燃料 6 第1 章引言 电池为双子星和阿波罗宇宙飞船提供电力。当时由于成本高，发展大容量燃料 电池电站几乎没人敢设想。随着科技进步，燃料电池的制造成本不断下降。2 0 世纪7 0 年代以来，考虑到空气污染和石油安全供应以及全球气候变化对人类的 威胁，世界各国极为重视燃料电池的研究、开发和利用。由于燃料电池可以堆 积式组装，它的容量扩大和减少对发电效率不受影响，世界各国都大力开发燃 料电池发电的广泛应用，例如，为蜂窝式电话、膝上式计算机、飞机和电动自 行车提供电源。美国政府每年用于燃料电池的研究经费约为9 0 0 0 万美元。世界 各汽车制造厂商总计已投资2 0 多亿美元研究开发燃料电池。 根据所采用的电解质燃料电池可分为六大类，即磷酸燃料电池( p a f c ) ， 熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) ，固体氧化物燃料电池( s o f c ) ，直接甲醇燃料 电池，碱性燃料电池( a f c ) ，离子交换膜燃料电池( p e m f c ) 。 磷酸燃料电池是目前广泛应用的已商品化的燃料电池，在世界各地数百种 应用长河中得到利用，可使用的燃料有天然气( 甲烷) 、轻石油、煤气、甲醇、 丙烷，主要用于生产热能和发电。磷酸燃料电池适合的应用场合为：废水处理 工厂，工业食品处理装置，高技术公司、银行、旅馆以及其他对断电极为脆弱 的设施以及小住宅区的现场电站。国际燃料电池公司( i n t e r n a t i o n a lf u e lc e l l ) 早起为航天飞机开发了磷酸燃料电池，但在过去6 年期问为1 7 个国家的不同企 业、学校和政府部门等安装了2 2 0 多套2 0 0 - - 一2 5 0 k w 的装置，例如，内部拉斯加 奥马哈德第一国民银行，纽约市警察局到阿拉斯加邮局以及日本科学中心都安 装了磷酸燃料电池。 熔融磷酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池这两种燃料电池必须在6 5 0 以上高温运行。它们不需要昂贵的催化剂，其废热可回收用于推动涡轮运转将 总效率提高到6 0 以上，余热可用于取暖和加热水。一些美国公司和日本公司 从事熔融碳酸盐燃料电池的开发研究和推广工作，其中包括能源燃料电池公司 ( e n e r g y f u e lc e l l ) 和m cp o w e r 公司。固体氧化物燃料电池的电解质和电极都 是陶瓷材料，工作温度在1 0 0 0 左右。目前已制成1 0 0 k w 电堆。固体氧化物燃 料电池的优点是不用催化剂而直接使用天然气为原料，电池效率较高，因此， 它是未来大规模清洁发电的优选对象。为了解决高温下的材料问题，目前在研 究8 0 0 左右的中温固体氧化物燃料电池。 碱性燃料电池曾用于阿波罗飞船上，目前在进行商业应用试验。直接甲醇 燃料电池采用甲醇而不需要重整设备。加利福尼亚理工学院j 下在研究基于酸性 第1 章引言 的固体燃料电池，这种燃料电池制造方便，能在高温下工作。 质子交换膜燃料电池又称为固体聚合物燃料电池( s p f c ) ，在5 0 1 0 0 下工作，其电解质是一种固体有机膜，用铂做催化剂。这种燃料电池是目前最 有发展前途的燃料电池。加拿大巴拉德动力系统公司( b a l l a r dp o w e rs y s t e m ) 已 将这种电池的铂需要量减少了3 0 倍，发电效率接近8 0 。质子交换膜燃料电池 是一种最有前途的交通工具的动力，目前全世界已有质子交换膜燃料电池公共 汽车在示范运行。1 9 9 8 年，德国奔驰汽车公司、美国福特汽车公司和加拿大巴 拉德动力系统公司合资组建d b b 公司，计划在2 0 0 5 年年生产1 0 万台汽车用质 子交换膜燃料电池发动机。目前世界上有1 0 0 多个机构在研究开发质子交换膜 燃料电池用于各种应用场合，其中包括用于代替蜂窝式电话和膝上式计算机中 所采用的可携带式电池。摩托罗拉公司在开发背负式军用小型质子交换膜燃料 电池。 燃料电池可用于固定装置发电以及作为流动电站或电动汽车的动力源，以 取代污染重、效率低的内燃机。国外甚至可以发展燃料电池电动机车，以代替 电力机车，省去长距离的架空输电线路，以节省金属材料。德国和荷兰已将燃 料电池用于潜艇，由于燃料电池没有红外热信号排出，故很难被对方发现，有 其独特的优越性。 燃料电池在固定装置方面的应用得到广泛的推广。hp o w e r 公司提供后备 电源、远距离通讯、道路信号和住宅应用的3 5 - 一5 0 0 瓦的发电装置。巴拉德公 司在开发l - - 2 5 0 k w 的固定电源用的燃料电池发电装置。p l u gp o w e r 公司与g e p o w e rs y s t e m s 公司合作从2 0 0 2 年起在全球配置7 k w 的燃料电池发电装置。p l u g p o w e r 公司，g ep o w e rs y s t e m 公司和v a i u a n t 公司( 德国热力系统制造厂商) 合作从2 0 0 2 年开始出售住宅用燃料电池取暖系统。所有这些装置都采用从天然 气、丙烷或甲醇通过重整装置制取的氢气。 燃料电池在运输方面的开发应用得到了迅速的发展，也是燃料电池开发利 用的重点。世界上所有的大型汽车制造厂商已投入数十亿美元丌发车载燃料电 池，并计划在2 0 0 3 - 2 0 0 5 年生产第一批商用燃料电池汽车。采用液氢或压缩氢 气的燃料电池公共汽车的小规模试验已在或正在温哥华、多伦多、芝加哥、棕 榈泉( 加利福尼亚) 、柏林、汉堡、慕尼黑、哥木哈根、奥斯陆、罩斯本河图 林( 意大利) 等城市进行。 目前最大的燃料电池公共汽车的工作是巴拉德公司与福特汽车公司和戴姆 第1 章引言 勒克莱斯勒汽车公司合作为3 0 辆公共汽车提供的2 0 0 k w 的燃料电池组件。这一 计划的部分资金是由欧洲联盟提供的，从2 0 0 2 年开始向欧洲就座城市阿姆 斯特丹、巴塞罗那、汉堡、伦敦、卢森堡、波尔图( 葡萄牙) 、雷克雅未克、 斯德哥尔摩和斯图加特( 德国) 黾供这些公共汽车用于公共交通系统。2 0 0 1 年后期英国石油公司计划为澳大利亚的珀思市配置氢燃料公共汽车。冰岛发起 的氢经济工作也是从公共汽车开始的，然后推广应用到客车和渔船。冰岛过渡 到氢经济将在2 0 3 0 2 0 4 0 年完成。 选用以氢为动力的公共汽车是采用燃料电池合乎逻辑的第一步，因为公共 汽车可采用的星燃料电池，将大量压缩氢气储存在车顶的储氢瓶内，并可在中 央加氢站加氢气。第一座公共氢气燃料供应站已在德国慕尼黑机场投入使用。 其他已建成的氢燃料供站有：拉斯维加斯( 美国内华达州) ；迪尔本( 美国密 执安州) ；汉堡。在兴建中的氢燃料供应站有：米兰( 意大利) ，雷克雅未克， 大阪和高松( 日本) i l l - 1 2 】。 1 3 各国氢能源汽车发展现状 在当今世界经济高速发展的推动下，汽车工业发展迅猛，汽车保有量在不 断地呈现上升趋势，而石油等资源却捉襟见肘，另一方面，吞下大量汽油的车 辆不断排放着有害气体和污染物质。为保护生态环境，促进低污染排放汽车的 生产和消费，推进汽车工业技术进步，世界各国都在大力发展新能源汽车。 ( 1 ) 欧洲 戴克公司不仅一直是燃料电池汽车发展的领导者，而且是全世界最大的燃 料电池汽车厂商，它的进步更确保了产品商业化的实现。从1 9 9 4 年开发的第一 辆燃料电池汽车n e c a r ，到最近亮相的新车，戴克公司在a 级f c e l l 燃料电池 汽车继续进行道路试验的同时，又开发了b 级f c e l l 汽车。新车采用巴拉德的 燃料电池先进技术，通过减少燃料消耗，增加车载储氢量使续驶罩程增加到 4 0 0 k m ( 在原始n e c a r 基础上增加了2 6 0 k m ) 。 大众公司并不是燃料电池汽车研发的领导者，尽管它没有前者的优势，但 它通过吸收其他制造商的经验开发了h y m o t i o n 。h y m o t i o n 使用的8 0 千瓦电动 机几乎达到了无噪音和无振动运转，1 4 秒之内便能使途安h y m o t i o n 从静止状态 加速到1 0 0 公里d , 时，其最高车速可达1 4 0 公里小时。使用的储气罐可储存1 9 9 第1 章引言 公斤的氢气，这些氢气能够驱动汽车行驶大约1 6 0 公罩的路n t “l 甾1 - 1 大众h y m o f i o n f i g1 - iv o l k s w a g 衄h y m o t i o n ( 2 ) 美国 福特公一j 是巴拉德的另卟主要汽车合作商，其继续2 0 0 4 年的技术路线， 采脂氢内燃机，m o d e l u 型流行款，深受美国人的喜爱。在人家的期望下，福特 于2 0 0 5 年丌发了f o c u s 燃料电池汽车，在此之前福特进行了颇多的路面试验， 包括加利福尼亚、范库弗峰和c e p 柏林项目。 通用公司在欧宝z a f e r a 的基础e 开发了h y d r o g e n3 ，其应用的新型滑板底 盘最先出现在h y - w i r e ( 全球首辆可驾驶的线传操控燃料电池车) 上，燃料电池 驱动系统由2 0 0 块相互串联在一起的燃料电池单体组成的电池组产生电力，通 过6 8 l 的氢气储存罐向燃料电池堆提供氢气。其0 - - 1 0 0 k m 的加速时间约为1 6 s ， 最大时速达到1 6 0 k m 。一次充气续驶单程分别可达4 0 0 k m 。在对h y d r o g e n3 进 行门常性能试验的同时，通用公司也在拓展更多的创造性研究领域从2 0 0 5 年 开始开发压缩氯存储系统，并在车展 ：展 了新燃料电池概念车s e q u e l 。s e q u e l 使用了通用汽乍最新代氧燃料电池和线传操控电子控制技术，是目前全球燃 料电池车中扭矩最大的车型。 第1 章引言 图1 2 通用氢动3 号 f i gi - 2h y d r o g 既3 ( 3 ) 同奉 丰田公司的混合动力汽车p r i u s 在海外市场占尽先机，同时厂家也没有忽视 对燃料电池汽车等下一代清洁汽车的开发及商业化研究。氢燃料电池汽车被丰 丌1 看作是环保汽车的最终h 标，世界范围内运行的该公一j 生产的示范车已经超 过2 0 辆。其研制的咀高压氧为燃料的新型燃料电池混合车f c h v ，该牟将氢储 存在顶部封好的压力为3 5 m p a 氢储藏箱内，而且有两个高性能丰燃料电池堆， 每堆燃料电池有9 0 k w 的输出功率，比吼前只有一个燃料电池堆的汽车性能规格 增加i 倍。丰阳晟近推出的概念车f i n e n 是款氢燃料电池混合动力车，由于 其电池中的氢燃料以7 0 m p a ( 约7 0 0 大气压力) 的高压储存，电池体积也凼此 人幅减少，只有1 5 0 毫米高，町以和锂电池一起收藏f 车地板f 咖，一次注入 氢气j 舌，其行驶罩程可达到5 0 0 公里陋】。 本阳公司非常重视产品的研发应用，开发出先进的燃料电池汽车 h o n d a - f c x 。凌车装有8 6 k w 的p e m 电池，是惟一一辆通过美国环境保护局 ( e p a ) 和加州空气资源部( c a r b ) 鉴定的零排放燃料电池汽车。f c x 采用高 压纯氢式燃料电池系统和本h 独自开发的人容量电容机相配合驰动电动机的动 力方式，f c x 也是目前【 【界上胜采刚这种动力方式的燃料电池车。f c x 的动 力系统使用的动力燃料是高压缩氧气，排放完全是水，因此是一台直i l 的零排 放、先n 染汽。氮气川3 5 m p a 的高压i 瓶储存，气瓶容量15 6 l ，持续行驶 3 9 5 公啦【”。 第l 章引言 圈l 一3 丰田f c h v f i g , 1 3 t o y o t a f c h v 图1 4 本田f c x f i g1 4h o n d a - f c x 毒 第1 章引言 日产公司始终是环保和可持续发展概念的忠实拥护者，在2 0 0 4 年借必比登 挑战赛之际，首次在中国展示燃料电池汽车x t r a i l ，现在正采用租赁的方式进 行市场试验。2 0 0 5 年2 月，日产公司宣布研制成功其首个作为燃料电池汽车动 力装置的燃料电池组，新开发的电池组比现有供应商提供的电池组体积更小、 动力更充沛，只用6 0 的体积就能提供相同的功率。同时也宣布研制成功了新 的高压氢气存储系统，尽管汽缸体积没有变化，但压强从原来的3 5 m p a 扩大到 现在的7 0 m p a ，使氢气的存储能力增加了3 0 ，因而大大提高了燃料电池车的 续驶里程。 ( 4 ) 中国 近年来，我国也对氢能和燃料电池技术研究给予了稳定的支持。国家“8 6 3 ” 计划设立了氢能技术和系统技术开发课题，“9 7 3 计划设立了氢能基础研究项 目。科技部从2 0 0 1 年开始组织实施以燃料电池汽车研发为重要内容的“电动汽 车重大科技专项”，作为“十五”的1 2 个国家重大科技专项之一，国家投入近9 亿元。 通过科学家们的努力攻关，我国氢能和燃料电池技术正在不断发展。继德 国、美国、日本之后，我国自主开发出燃料电池系统及燃料电池轿车和城市客 车，其关键技术指标与国际先进水平相当。 北京富源燃料电池公司很多年前就开始研究轻型汽车p e m f c 技术，1 9 9 8 年联合清华大学汽车工程学院开发出中国第一辆燃料电池汽车，在高尔夫球场 车上安装5 k w 的燃料电池堆。1 9 9 9 年与清华大学开发出乘用车。最近富源公 司正在研发测试1 4 0 k w 的车用p e m 燃料电池。上海神力科技有限公司成功研 发出三代轿车和城市客车用燃料电池发动机，并分别安装在同济大学的“超越 一号”、“超越二号 及“超越三号”燃料电池轿车与清华大学的“清能一号” 和“清能三号”等燃料电池城市客车上。通过部分示范运行表明，其研制的燃 料电池发动机完全达到车用燃料电池发动机要求，并累计生产轿车用燃料电池 发动机1 5 台，大客车用燃料电池发动机近1 0 台，具有大批量生产的能力。2 0 0 5 年2 月，上海神力研制的绿色燃料电池游览车开始在上海市工业综合开发区内 投入试运行，总行驶里程达1 2 万k m ，无故障运行时间达2 0 0 0 h 之多，这在中 国尚属首次。目前上海神力已生产多辆燃料电池游览车并实现了销售【l8 1 。 第1 章引言 幽1 5 燃料电池客4 f i g1 - 5f u e l - c e l tb u s 目l 石燃料l b 池轿中 f i g l - 6 f u e l - c d lc a l 第1 章引言 1 4 车载高压供氢系统研究现状 ( 1 ) 高压供氢系统应用情况 高压储氢是目前最简单和最常用的车载纯氢储存方法。因此，目前大部分 的燃料电池汽车供氢系统都以高压储氢为储氢方式。仅就世界已有的燃料电池 大客车示范项目而言，采用车载高压氢气供氢系统的就占了大多数【1 9 】，图表1 1 所示。 戴姆勒克莱斯勒公司于2 0 0 3 年展示的燃料电池大客车( 燃料电池功率为 2 0 5 k w ，续驶里程为2 5 0 k m ) 装用了巴拉德公司生产的质子交换膜燃料电池，采 用车载高压氢气供氢。车上储氢气瓶最大工作压力3 5 m p a 。 日本丰田公司于2 0 0 2 年展示的燃料电池大客车( 燃料电池功率为1 8 0 k w ， 续驶里程为3 0 0 k m ) 都装用了丰田公司生产的质子交换膜燃料电池，采用车载 高压氢气供氢，储氢气瓶最大工作压力3 5 m p a 。 德国曼公司于2 0 0 0 年展示的燃料电池大客车“巴伐利亚1 号” ( m a n b v a r i a 1 ) ，装用西门子公司生产的1 2 0 k w 质子交换膜燃料电池，最高 车速8 0 k m h ，续驶里程2 5 0 k m ，采用车载高压氢气供氢，储氢气瓶容积15 4 8 l 。 表1 1 车载高压供氢应用情况 t a b 1 - 1a p p l i c a t i o no fh i g h - p r e s s u r eh y d r o g e ns u p p l y 戴姆勒克莱斯勒日本丰田德国曼 燃料电池功率 2 0 51 8 01 2 0 ( k w ) 储氢方式 高压氢气高压氢气高压氢气 气瓶压力 3 5 3 53 5 ( m p a ) 续驶里程( 1 )2 5 03 0 02 5 0 ( 2 ) 高压供氢系统研究进展 国际上发展车载高压供氢系统时，几乎都采取了一致的技术路线，即沿续 天然气汽车供气系统发展基础，借鉴其技术、规范和标准，并根据车载高压供 氢系统的特点逐渐完善。当前，供氢系统的研究主要针对氢燃料发动机汽车( 这 1 5 第1 章引言 里包括氢燃料掺烧汽车) 和氢燃料电池汽车。 车载氢气供应系统研究与开发，目前比较领先的是加拿大的d y n e t e k 公司和 美国的q u a n t u m 公司。为适应氢燃料电池汽车的要求，两家公司都研制了3 5 m p a 高压供氢系统，共同强调气瓶上( 或连接处) 应有手动阀、压力释放装置( p r d ) 、 过流阀、个别气瓶上应有压力传感器和温度传感器；储存系统上有带有单向截 止的充气阀、过滤器、手动阀；供应系统上有过滤器、减压器、自动阀、p r d 、 放散阀等装置，但两家采取的技术路线上是有所区别的。在最新开发的世界上 首台7 0 m p a 氢气瓶系统中，提出并设计出了气瓶组合阀系统，气瓶组合阀包括