燃料电池汽车推进系统策略

1、燃料电池汽车推进系统策略摘要燃料电池汽车承诺将比传统的车辆更有效率，生产成本低或零排放，清洁和操作。燃料电池汽车的主要组成部分包括：转化装置，燃料电池堆，直流/直流转换器，电池，逆变器和马达。这些单位使用，车辆可以配置或不配置重整装置及电池组。本文论述了燃料电池车的配置和对这些配置的每一个控制策略。以及对每一个配置优点和局限性进行了展望。直流/直流转换器，可以在不同转速和扭矩范围内，控制燃料电池的输出使其与逆变器的输入要求相符合。本文选择了推进系统和控制问题，电力电子问题，以及燃料电池汽车的旋转机器做介绍。介绍汽车排放到大气的尾气已被确定为引起或导致呼吸系统疾病，包括支气管炎，肺气肿，肺纤维化

2、的空气，气喘的化学品品种。交通工具可产生除二氧化硫以外的所有成分，是主要污染源。汽车要对全球二氧化碳排放总量的三分之二负责。现在大气中的二氧化碳总量大约要比工业革命以前高25%。减少二氧化碳和其他温室气体的排放正成为一个重要的国际优先事项。美国能源部的新一代车辆协会（PNGV）根据伙伴关系确定了生产燃油汽车需要每加仑汽油行驶80英里的目标。加州空气资源委员会要求2003年在加州销售的所有车辆中，有10必须为零排放车辆。而在美国的其他州正在制定更严格的废气排放标准和燃料经济性标准。这些车辆必须符合质量、性能和客户的需求，公用事业以及符合安全和排放标准。为了减少排放，提高燃油经济性，一些替代技术应

3、运而生。这些技术中最突出的是的电动汽车，混合动力汽车，双燃料发动机汽车和燃料电池车。在燃料电池技术进步的过去几年，燃料电池汽车已经取得了令人瞩目的进展。燃料电池汽车和正处于发展初期的电动汽车和混合动力汽车相比。它们提供动力的电池有电动汽车的优点，也可以迅速加油，并有一个较长的行驶距离。此外，燃料电池汽车，取决于使用的燃料，产生更少的温室气体，并且可以考虑初级资源回收、处理相关的燃料气体，最后循环使用。燃料电池是一种可以直接将化学反应的能量直接转换成电能的一种的电化学装置。这种能源生产的电，没有任何燃烧，因此几乎没有任何污染物排放。因此，燃料电池被认为是理论上最有可能生产清洁的电力能源的电池。燃

4、料电池理论可产生电能，只要由燃料和氧化剂作为电池的两极。燃料电池汽车与普通的内燃机车辆相比，具有以下优点相比1.直接能量转换（不燃烧）。2.能量转换过程中无任何移动零件，安静和燃料的活性。3.燃料电池汽车可以大大降低能源使用，降低空气污染，并增加替代燃料的使用。4.燃料电池的效率并没有下降，而整车系统的规模急剧下降。5. 如果燃料电池在部分负荷运行，燃料电池的效率并没有明显改变。根据在不同载荷条件下运行，燃料电池的效率明显比内燃发动机的效率高，尤其是在部分负荷。以驾驶30英里为例，使用氢燃料电池电动传动效率比传统内燃机的效率要高大约2倍。6.燃料电池系统替换内燃机可以节省60的初级能源消耗，二

5、氧化碳排放量可减少约75，释放出的有毒物质也会大大减少。而与电动汽车相比燃料电池汽车的优点是：1.燃料电池的能量密度要比电池大得多。考虑到效率，一个甲醇燃料电池汽车油箱对应到1900瓦/公斤。在铅酸电池约40瓦/公斤。2.燃料电池添加燃料的速度远远超过了电动汽车。它类似于填充内燃机汽车的油箱。燃料电池车不需要电动汽车那样长的充电时间。3.液体燃料的分销网络可以很容易地基于目前的汽油站建立。这些地点可以添加甲醇或处理不同等级的燃料。而电池充电站可能需要更多的工作.对于汽车应用，燃料电池系统目前并不能与内燃机（ICE）的性能，包装，成本和燃料储存相竞争，并大批量制造。此外，它仍然是一个没有重新加油

6、基础设施的新技术。燃料电池汽车系统由三个主要部分组成：1.燃料处理器将燃料转换为富氢燃气。2.燃料电池动力部分将氢气燃料和氧化剂相结合，产生直流电和热能。3.逆变器/转换器将燃料电池的动力转换成交流或直流电，其取决于负载性质。燃料电池汽车动力系统应用程序的设计必须有类似现今内燃发动机车辆的重量，体积，功率密度，启动，和瞬态响应。其他要求包括：短时间内可以迅速提高性能，加速快，良好的燃油经济性，方便和考虑燃料处理的安全性。成本和使用寿命也是非常重要的考虑因素。一个完整的燃料电池系统由以下几个部分组成：1.燃料处理器：汽油或甲醇转化（如果直接使用氢气，则氢气储存罐是必需的）。2.燃料电池堆，产生电

7、力，空气压缩机为燃料电池提供高压氧。3.冷却系统，以保持适当的工作温度。4.水管理系统来管理系统中的水分和湿度（保持燃料电池膜的饱和，同时防止水堆积于阴极）。5.直流/直流转换器控制燃料电池堆的输出电压的输出条件。6.逆变器将直流电转换成可变电压和可变频率来推进电机。7.通过交流电传输和推动电动机。8.电池或超级电容通常是连接整个燃料电池系统，以提供补充功率和启动系统。如果车辆没有转换氢气，这时需要甲醇或汽油储存罐储存的燃料在极板上转化。燃料电池中的峰值功率器件，汽车，电子和燃料储存系统必须在不会造成安全隐患的前提下，尽可能小的空间。燃料电池的类型 - 燃料电池的不同类型的发展阶段。燃料电池的

8、最常见的分类是由电解质使用的不同类型。它们分别是：1.质子交换膜（PEM，也称为高分子电解质）燃料电池的工作温度约80；2.碱性燃料电池的工作温度约100；3.磷酸燃料的工作温度电池约200；4.碳酸盐燃料电池的工作温度约650；5.固体氧化物燃料电池的工作温度的工作温度为800至1000。质子交换膜燃料电池正在取得作为，因为他们的低操作温度，高功率密度，比功率，寿命长，效率和相对较高的耐久性燃料在电池汽车应用中的重要性，并能够迅速适应电力需求的变化。质子交换膜适合汽车的应用更多的是基于下列原因：1.质子交换膜可以在比较普通的工作温度就开始工作，通常其温度低于100；2.由于他们有较高的功率密

9、度，其体积可以更小。因此，他们可以很容易地装在车辆内；3.结构简单，相比较他类型的燃料电池，可以简单的维修；4.他们可以承受冲击和汽车运动状态下的复合结构振动；但质子交换膜有一个问题是，二氧化碳在燃料中的浓度应减少到低于10PPM，因为即使是很少的二氧化碳也能将燃料电池的性能恶化。另一个问题是，它们通常需要昂贵的贵金属催化剂。燃料电池汽车的燃料类型 - 燃料的选择取决于：1.与燃料基础设施相关的成本和费用；2.安全，对环境的影响，并且易于使用3.需要汽车制造商，石油公司，政府和公众的接受。作为燃料电池汽车的燃料，主要竞争者是氢，甲醇和汽油。无论是甲醇或汽油转化的燃料电池汽车都不能真正的称其为主

10、导地位。使用氢气的优点是：1.这是唯一能够真正的使车辆达到零排放状态的燃料。2.燃料电池堆的运行氢最直接最有效，使用纯氢气可以使燃料电池堆具有最佳的性能和更长的使用寿命。3.具有高能量密度，不需要对燃料以及二氧化碳排放量进行处理。4.它是无毒的，容易迅速扩散，而且具有很大的燃烧范围，因此有些取舍是必需的。使用氢的缺点是：1.需要对氢进行很严格的安全处理。2.氢气具有非常低的密度。因此，需要在车辆上占据足够的储存空间。这在一个简单的货车也难以储存足够的数量。氢是气态，直到它得到低于-253，只高于绝对零度20。在气体状态，它占用了很大空间，除非使用很高的压力将其压缩。生产这些高压力可能会超过氢气

11、中能量的10 - 20，其取决于压力的大小。氢通常存储在低温液体容器内，如金属氢化物，或高压力的压缩气体。甲醇，已成为提供燃料电池板上氢源的主要选择之一。甲醇作为燃料的主要优点是：1.它可以由煤合成，其存储和分布类似汽油。2.它是一种清洁燃料，不需要脱硫。甲醇分子比较小，因为它可以迅速被生物降解。3.甲醇不需要在燃料处理器处理或转换，可以存储在较低温度，因此存储空间可以缩小。4.基于使用甲醇燃料电池汽车的和汽油内燃机汽车类似的地方，应减少温室气体的排放。这是因为每单位能源的甲醇比的碳少。甲醇比汽油或其他碳氢燃料杂质更少。甲醇的缺点是：1.有毒，有腐蚀性，亲水性。2.没有甲醇补给基础设施。汽油的

12、优点是，有现有的基础供给设施，但汽油转换的发展阶段仍落后与甲醇转换。目前汽车使用的汽油含有硫和其他元素，这些都会破坏燃料处理器使用的催化剂和燃料电池堆。因此，需要为燃料电池汽车推出不同等级的汽油。汽油燃料电池系统的低效率和总有效率可能类似于GDI的基础发动机。转化 转化的基本功能是将燃料转化成电池堆可用的氢燃料。现在主要有两种类型的转化技术的使用：蒸汽转化和部分氧化转化。甲醇转化为氢气普遍采用的是蒸汽转化技术。汽油转化为氢，主要使用部分氧化转化。对转化的主要要求是快速启动，良好的动态响应，高效率，体积小，重量轻。最有前途的燃料电池概念是基于甲醇燃料使用的蒸汽转化，其次是直接使用氢燃料，再次是汽

13、油燃料使用的部分氧化转化。并且在汽油和甲醇转化技术的领域已取得重大进展。燃料电池系统能否快速的应对变化中的电力需求，是车辆整体效率的重要参数之一。因为汽车能源消耗取决于燃料电池系统的响应时间。在启动时任何燃料消耗都将对燃油经济产生负面影响。如果燃油是直接加压氢气，则将是一个非常快的反应时间。如果燃料电池板上使用甲醇转化，则响应时间相当长。响应时间取决于如何快速的将燃料和空气提供给燃料电池，它依赖于空气压缩机系统和燃料供应系统。响应时间有很大的不同取决于燃料的类型，转化类型和存储类型。转化的甲醇需要相对较长的时间来预热，而不能按照电力需求的迅速变化。响应时间可能长达一分钟。该技术一个小于100毫

14、秒响应时间转化的发展阶段。为了减少对转化基础系统的响应时间，一个缓冲氢气罐用来提供在瞬态条件下所需的燃料。然而，更多的氢气罐增加了成本，重量和车辆控制的复杂性。此外，氢气罐的大小是一个具有挑战性的问题。所需要的氢确切数额取决于操作条件。重要的是当车辆加速时要确保有足够的氢。如果没有转化能源使用，氢的连续供应是一个问题。没有加氢基础设施。我们继续研究直接甲醇和汽油的电池堆系统。甲醇或汽油直接在电池堆使用降低了系统的复杂性。当温度大于0的时候，它能够快速启动。而且仍然需要更多的开发工作，如如何从电池堆中去除一氧化碳。此外，效率不如直接氢电池堆好。燃料电池汽车配置 - 燃料电池车可分为燃料电池电动汽

15、车和燃料电池混合动力汽车两种分类。燃料电池电动汽车使用与不使用电池的燃料电池电源系统。就像电动汽车电池，燃料电池作为该车辆的动力传动系统提供电。该动力系统一般包括转换燃料电池功率的变频交流电源和可变电压，交流牵引电动机的交流电源，传输到电动机的电源再到车轮。燃料电池混合动力汽车有一个电池或一个超级电容器与燃料电池系统并联。燃料电池混合使用最有效的是燃料电池本身的高能量密度和蓄电池的高功率密度。当电力需求高，例如在加速，电池将提供所需要的功率。当电力需求低，例如在巡航，燃料电池提供所需的电力。充电将在低功耗运行的时期进行充电。因此，根据电力和能源的设计要求，燃料电池可以用来提供电源，电池设计巡航峰值功率。该电池组的选择也取决于诸如费用、燃料电池、电池性能的因素、电池技术、驱动循环。快速启动可以使用电池，可以防止燃料电池在此过程中的电池堆逆转。此外，电池提供峰值功率，再生能源可以被回收，以及车辆的负载变化系统响应时间