燃料电池电动汽车技术发展

燃料电池电动汽车技术发展

1开发清洁动力源近年来，能源和环境保护已成为主要热点。对汽车厂家,要求为汽车开发清洁的动力源来替代原有的柴油机。下面介绍近年来性能获得惊人提高的燃料电池汽车的技术开发及验证试验情况。2电动汽车材料的研究燃料电池电动汽车动力系统的标准型是由驱动用电动机、燃料电池发电装置和燃料电池用燃料储存供给装置组成。此外,有时候还加上辅助充、放电装置。但是,由于其各个结构要素存在许多形式,故在早期的研发阶段,各种电动汽车上采用了各不相同的系统。而近年来,技术发展方向正在明确。经过对比,被认为不适宜于装在汽车上的技术正在逐步淘汰。例如,关于电动汽车核心部件的燃料电池,在早期的研究中,探讨了磷酸型、碱性型、直接甲醇型、高温氧化物型等燃料电池。但目前讨论的汽车燃料电池,主要是指固体高分子型燃料电池。以下概述近年来燃料电池电动汽车的技术发展趋势。2.1燃料改性方式燃料电池电动汽车中燃料的储存及供给方法有2种:直接储存氢气的方式及碳化氢系液态燃料改性的方式。直接储存氢气的方式是将氢气直接补充给电动汽车,虽然车上无需改性器,汽车系统较简单,但必须另外建立补充氢气的设施。碳化氢系液态燃料改性方式,其燃料补充及补给设施的建立是较容易的,而且具有持续行驶里程长的特点,但是,改性器的存在带来较多技术问题,如增加了车辆的体积和重量,还有响应性能、启动性能方面的问题,而且,含有杂质的改性气体还会使燃料电池发电特性恶化等问题。图1中归纳了几种燃料储存与供给方法的使用情况。用高压瓶储氢的方法,在早期的研究中使用较多。然后是碳化氢系燃料改性方式的研究,具体地讲,开始是研究甲醇改性方式,1997年以来,盛行对汽油改性方式的研究。不过,现在大多数是采用高压瓶储氢法。目前正迎来各汽车厂家公认的电动汽车实用化时期,故而重新评价了有应用实绩的系统。即使在今后,先行开发的公共汽车型及小轿车型燃料电池汽车等,仍考虑以采用高压瓶储氢方式为主,而改性方式的实用化还为时尚早。2.2混合方式负载响应性能将燃料电池装在汽车上时,可考虑单独使用燃料电池的方式和燃料电池与蓄电池等辅助充、放电装置组合的混合方式。单独使用燃料电池方式,由于电源为单个系统,很简单,但是,不可能回收及重新利用再生能量。此外,尤其是从结冰温度开始的启动性能以及采用改性方式时的负载响应性能都存在问题。混合方式则可以利用再生能量,因此其特点是能够建造高效率系统。另外,汽车在启动及紧急时可由辅助充、放电装置供电,所以从安全性和可靠性方面来看,这是一种优异的方式,不过其系统自然会复杂些。使用各种动力系统车辆数的变化归纳于图2。目前,全世界采用单独燃料电池方式和混合方式的汽车数量差不多,但欧美各国大多采用单独燃料电池方式,这不仅是因为系统简单,而且,也与欧美各国道路状况有关。具体地讲,采用单独燃料电池方式虽在加速性能方面有些问题,但是,欧美国家重视高速走行性能(不像日本那样车辆都在市内运行),采用单独燃料电池方式并无特别的问题。另外,就混合方式中燃料电池与辅助充、放电装置的容量比来说,近年来,同比率型减少,相反,可以明确地分为燃料电池主体型和燃料电池辅助型2种方式。2.3蓄电池的使用状态在燃料电池电动汽车上采用上述混合方式时,需要辅助充、放电装置。目前,大多数是单独采用蓄电池。至于超级电容器,虽然其高充、放电效率和高比功率等优异特性值得关注,但它要持续保持大功率很困难,并且还存在比能量低等若干难于处理的问题。图3归纳了使用不同蓄电池的车辆数变化。在蓄电池方面,装有镍氢型蓄电池的车辆急剧增多。另外,超级电容器则由于近几年的技术发展与制造成本的降低,其使用方法有很大的变化,随之使用数量开始急剧增长。具体地讲,以往的小容量电容器,为了从满充电一直用到全部放电完毕,几乎都是利用了DC/DC变流器。但是,近年来,不用变流器,而以与燃料电池直接连接来实现高效率的系统为主。此外,超级电容器与蓄电池相比,具有电压变动大的特性,而燃料电池也同样有这种特性,所以超级电容器与燃料电池直接连接时,装置间的相容性良好,这也是采用超级电容器的一个原因。2.4研究使用的车辆数在燃料电池电动汽车中,与普通电动汽车一样,使用着各式各样的电动机。使用不同型式电动机的车辆数变化示于图4。在开发初期,直流电动机的应用占大多数,目前主要是采用效率高、小型轻量、可靠性高的交流电动机。令人注目的是,交流电动机中,日本使用永磁同步电动机,其他国家则使用异步电动机,而几乎所有正在开发的电动汽车上都采用交流电动机。3测试测试3.1动力电池电动汽车如上一节所述,最近几年,世界各汽车厂已开发了多种燃料电池电动汽车,目前正致力于验证试验。将主要验证试验计划中使用过的燃料电池电动汽车归纳于表1。最初希望实际使用的电动汽车几乎都是公共汽车。3.2燃料供给汽车目前进行的验证试验中,笔者曾有机会赴加州燃料电池研发联合体(CaFCP)见习,下面报道所见概况。在美国的燃料电池研发联合体本部,除设办事处外,还建有加盟汽车厂的整备汽车库,以及氢气供应设备。这次,有幸试乘了包括小轿车在内的3种电动汽车。这些试制汽车全部采用储气瓶储存压缩氢气的方式。关于动力系统的结构,有的单独采用燃料电池,也有的采用与镍氢蓄电池并用的混合方式。试乘虽限定在车场内运行,但是完全能够确认车辆性能。体验了电力驱动车辆特有的从低速起就能发挥高转矩的加速度及无变速器的平稳运行,与几年前试乘的早期燃料电池电动汽车比较,留下的印象是其静音性。虽然早期电动汽车与普通的汽车相比,其静音性也是比较好的,听不到发动机声音,但可感到停车时及加速时的空调压缩机声音。而这次试乘的燃料电池电动汽车在这方面有了大的改善,只感到下面轮胎的噪声。另外,从停车状态开始启动时,混合方式的平稳性特别优异。这次试乘的混合式汽车,其燃料电池、蓄电池、电动机之间的能量监控器设置在司机座与副司机座之间,能瞬时掌握动力系统之间的电流趋势。该系统对提高司乘人员的高效运行意识具有良好效果。与汽车主体结构同样重要的课题是燃料的补给体系。必须充分研究怎样制备氢气及怎样把氢气供给汽车才是最好的方式。在这里设置有氢气供应站,它由液态氢气储存罐、氢气气化器、氢气压缩器、氢气储存管道和将氢气供给电动汽车的分配器(可用2种压力供氢)构成。也就是说,氢燃料在液体状态下被运送到氢气供应站,然后经气化、调整压力后再供给电动汽车。采用本系统向燃料电池电动汽车供应氢气,可自动地极其安全地进行。具体地讲,首先,司机将氢气供应站侧的通信电缆与电动汽车连接,用计算机分析、确认汽车上气缸内部情况之后,插入喷嘴成为补充氢气状态。补给时间与普通汽车加油大致相同,在4min之内完成。本系统是沿用普通工业用氢气供应装置的标准而设计建造的。但是,也有公司正在特别对燃料电池电动汽车用的新标准制定及规格变更的必要性进行调研。与此同时,对向甲醇改性型燃料电池电动汽车补给燃料的甲醇供应站也正在开展验证试验。这种燃料补给装置,设置了防燃料逆流机构以及燃料补给口与喷嘴间的锁紧装置等,以保证在甲醇燃料补给过程中不致于因甲醇泄漏而对人体产生不良影响。4发酵阶段20世纪2020年以上介绍了燃料电池电动汽车的技术开发及验证试验的动向。虽然燃料电池电动汽车将来有发展前途,但还不会立即取代内燃汽车而一下子普及,根据现状来看,预计电动汽车的普及也是分阶段的。第一阶段受燃料补给场所限制,以公共汽车、出租小汽车和政府办公用车等为应用对象,采用高压气瓶储氢方式;第二阶段应用对象为私人小轿车,采用汽油改性方式;最后阶段是在氢气补给设施充分普及之后,再用储氢方式。当