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怎么理解中國“電電混合動力”氫能汽車技術路線?

鉅大LARGE  |  點擊量:1169次  |  2019年09月27日  

發展氫能汽車已經成為2018年一個新的熱點話題。近年來,隨著各國對能源結構的調整和對清潔能源的關注與研究,氫能源以其綠色、高效、應用范圍廣等優勢,成為全球最具發展潛力的清潔能源。國際氫能委員會會發布的《氫能源未來發展趨勢調研報告》顯示,到2050年,氫能源需求將是目前的10倍。預計到2030年,全球燃料電池乘用車將達到1000萬輛至1500萬輛。巨大的市場潛力使得各國和各大企業加大了對氫能產業的研發,希望通過發展氫能來解決能源安全,并掌握國際能源領域的制高點。


最近,一家天然氣汽車改裝企業的老總向筆者咨詢,如何把天然氣汽車改裝成為氫氣汽車?如何這個問題?我感到十分為難。還有許多客車企業的同行,也咨詢筆者,氫能汽車發展現狀及發展趨勢如何?


看來有必要做深入的介紹了。


一、氫能汽車的基本含義


氫能汽車,一般人理解是氫氣做為能源的汽車。這一點與理解將汽油(柴油)作為能源的汽車是一個層次的。


比較專業的人,會把氫能理解為與天然氣汽車一樣的,將瓶裝壓縮的氫氣,解壓出來,供內燃機燃燒,一是可以做功,二是可以發電。


時代在進步,技術在發展。歷史上有過用內燃機燃燒氫氣的技術,但是最后沒有發展起來。


今天提倡發展的氫能汽車,由氫燃料電池發電,給電動汽車供電。這樣一般性理解,目前的氫能汽車的概念,是沒有內燃機的,原來的內燃機已經由燃料電池發動機替代了。


二、燃料電池發動機是什么意思?


在汽車行業里,內燃機已經說成燃油發動機了。汽車是機動車,機動車必須要有發動機,才能動起來的。汽車發動機與普通工業上的內燃機,還是有許多不同的技術要求。


所以說,發動機專門是指汽車上的。


目前動力電池的電,源于外面電網。電動汽車的驅動能源,源于車載動力電池。但是動力電池,專業層面還沒有人叫他是動力電池發動機。


燃料電池發動機是什么意思?筆者理解:


燃料電池發動機不是燃料發動機,目前直接燒油、燒氣的發動機,也可以叫做燃料發動機。


燃料電池發動機,基本上是專門指氫氣電池的,目前還沒有發現其他氣體可以直接發電的。


燃料電池與目前的動力電池原理,有許多相似的地方。


燃料電池發動機是通過一個類似“電池”原理的裝置,將氫氣“化”成電的一個系統。


三、燃料電池發動機結構組成


氫燃料電池發動機既不是動力蓄電池,也不是傳統燃油發動機。燃料電池發動機是一種將氫氣和氧氣通過電化學反應,直接轉化為電能的發電裝置。


圖(1)國產的氫燃料電池發動機


要開發燃料電池汽車,必須了解燃料電池發動機。


(1)六大組成部分,見圖(2)


①電堆;


②氫氣供給循環系統;


③空氣供給系統;


④水熱管理系統;


⑥電控系統和數據采集系統。


圖2燃料電池發動機結構示意圖


(2)工作特點:


①系統輸入是氫氣和氧氣,輸出是僅為電、熱和水,能量轉化率高;


②沒有燃燒,沒有機械損耗,運行平穩,噪音比較低。


(3)核心技術:


①電堆系統


電堆由雙極板和膜電極兩大部分組成,催化劑、質子交換膜和碳布/碳紙構成了膜電極。電堆是氫燃料電池發動機的核心部件。


②氫氣供給循環系統


自氣瓶中的高壓氫氣,經過減壓閥使得氫氣壓力降低,通過電磁閥控制氫氣進入電堆,氫氣回流泵再將電堆反應后剩余的氫氣,回收重新輸入電堆中,提高氫氣能源利用率。


(4)關鍵零部件


減壓閥、電磁閥、氫氣回流泵、氫氣濃度傳感器、空氣濾清器、空壓機/吹風機、空氣增濕器、水泵和水溫傳感器。


四、燃料電池發動機規格及指標


目前國內能提供燃料電池發動機的有:中科院大連化工所的新源動力、北京億華通、上海弗爾賽的三家企業,他們三家提供的產品有:30kW驅動模塊、60kW驅動模塊以及120kW驅動模塊。


國內其他企業基本上是代理國外的產品,比如巴拉德的產品。


國內與國外燃料電池發動機技術指標差異:


國內燃料電池發動機電堆功率密度基本上大概在2kW/L左右,國際先進水平已經達到了3kW/L左右;


催化劑效率:國內每千瓦的鉑用量大概0.3克,國際的先進水平已經達到了0.06克以下;


膜電極耐久性:國內動態工況實測壽命大概在3000小時,國外已經達到了9000小時;


空氣壓縮機:國內現在采取低壓壓縮機,國外主要采取高壓空氣壓縮機,如果能夠把壓力提高到兩倍左右,可能它的效率提高50%。


五“電電混合”氫能汽車技術路線是中國特色


“電電混合”是基本含義是,燃料電池發動機發的電與車載電池的電“混合”起來給電機做功,驅動汽車運動。從純電動到具有部分電力和部分燃料電池驅動的系統上看,可以分成2類:


①以動力電池的電能為主的電動汽車,燃料電池的電能用來補足驅動。


②以燃料電池電能為主的電動汽車,動力電池用來補足它的驅動。


為什么不發展全燃料電池發動機的氫汽車呢?


①燃料電池發動機功率,目前還不能滿足電動汽車的要求。國內燃料電池發動機電堆功率密度大概在2kW/L左右,國際先進水平也是在3kW/L左右。也就說,目前國內外動力電池不能滿足電動汽車的要求,同樣,燃料電池發動機的能力也不能滿足汽車的要求。


②燃料電池發動機是一個全新的產品,還有許多技術要求,要依靠產業化來完善,同時目前其單位成本還比較高;


③目前電-電混合動力系統是以動力電池汽車為基礎的。同是電-電混合動力系統可以彌補動力電池的汽車的不足;


④中國的燃料電池汽車取得了很明顯的進步,但是還面臨許多挑戰,電-電混合動力系統是相對比較穩妥的技術方案。


六、“電電混合”氫能汽車技術的應用


目前電動汽車的主要不足:持續里程較短,充電時間較長。


電動城市公交車和電動城市配送車輛,在城市已經能基本滿足使用要求,但是對持續里程較長車輛而言,比如對城市之間遠程公交汽車等,就力不從心了。


“電電混合”氫能汽車技術的應用主要有:


①目前城市越來越大,大城市下面有衛星城市,城市之間遠程公交汽車是電電混合”氫能汽車技術應用主戰場;


②“電電混合”氫能汽車,有充電可以充電,沒有時間充電,就加氫,滿足部分用戶的對里程廠和充電不方便的要求。


七、“電電混合”氫能汽車技術應用的注意事項


對汽車工程而言,系統組成結構是越簡越好。


電電混合是不僅兩套系統的組合,對系統集成提出了更高的要求。要注意的是,不要人為地增加難度。


①不要在車上進行制氫、提純氫氣工藝加工;


②不要在車上對氫氣進行壓縮加工工藝;


③“電電混合”氫能技術的基本要求是瓶裝壓縮氫氣。


一句話,車上空間極為有限,“電電混合”系統的布置已經是相當困難了,不要人為把工廠里的氫氣加工工藝予以簡化,搬到車上來都是不可取的。地面工廠做不到的事情,車上也是做不到的。


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