燃料電池電動汽車工作原理及發(fā)展趨勢

◆文/河南 張雨

目前，相對成熟的新能源汽車是混合動力(PHEV)和電動汽車(BEV)。相比較而言，具有發(fā)展?jié)摿Φ钠囀菤淠茉慈剂想姵仄?FCEV)。本文在介紹燃料電池汽車的部件組成、燃料電池的工作原理的基礎(chǔ)上，以豐田Mirai和現(xiàn)代Nexo為例，介紹燃料電池汽車的基本架構(gòu)和工作原理。

一、氫能源燃料電池汽車簡介

FCEV使用電力為電動機提供動力。與其他電動汽車相比，F(xiàn)CEV使用氫燃料電池發(fā)電，而不是僅從電池中獲取電力。在車輛設(shè)計過程中，車輛制造商通過電動機的尺寸來定義車輛的功率，電動機從適當尺寸的燃料電池和電池包中接收電力。盡管汽車制造商可以設(shè)計一種具有插電式功能的FCEV來為電池充電，但如今大多數(shù)FCEV都使用電池來回收制動能量，在短加速事件中提供額外的動力，并在低功率需求期間通過選擇怠速或關(guān)閉燃料電池來平滑燃料電池提供的動力。FCEV使用儲存在車輛燃料箱中的純氫氣作為燃料。與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機車類似，它們可以在不到4min的時間內(nèi)加燃料，行駛里程超過500km。FCEV不產(chǎn)生有害尾氣排放，只排放水蒸汽和熱空氣。圖1顯示了氫燃料電池電動汽車的主要部件。

圖1 氫燃料電池電動汽車主要部件

(1)輔助蓄電池：在電動汽車中，在驅(qū)動蓄電池接合之前，低壓輔助蓄電池提供電力以啟動汽車；還為車輛附件提供動力。

(2)電池包：這種高壓電池儲存再生制動產(chǎn)生的能量，并為電力驅(qū)動電機提供補充電力。

(3)直流/直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器：該設(shè)備將動力電池包的高壓直流電轉(zhuǎn)換為運行車輛附件和為輔助電池充電所需的低壓直流電。

(4)電驅(qū)動電機：該電機利用燃料電池和動力電池包的電力驅(qū)動車輪。有些車輛使用一體式電機-發(fā)電機，同時執(zhí)行驅(qū)動和再生功能。

(5)燃料電池堆：一種使用氫氣和氧氣用來發(fā)電的組件。

(6)燃料加注口：燃料加注機上的一個噴嘴通過加注口連接到車輛上的插座上，用來給車輛加注燃料。

(7)燃料箱(氫氣)：將氫氣儲存在車上。

(8)FCEV電力電子控制器：該裝置管理燃料電池和動力電池輸送的電能，控制驅(qū)動電機的速度及其產(chǎn)生的扭矩。

(9)熱管理系統(tǒng)(冷卻)：該系統(tǒng)保持燃料電池、電動機、電力電子設(shè)備和其他部件的適當工作溫度范圍。

(10)變速器：變速器將電驅(qū)動電機的機械動力傳遞給車輪。

二、燃料電池(FC)的工作原理

上文提到，使用燃料電池發(fā)電的車輛被稱為燃料電池電動汽車(FCEV)。FCEV使用氫氣作為燃料，產(chǎn)生電能，為電動機供電，電機為車輛提供動力。FC是一種通過化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電化學(xué)裝置，很像電池。燃料電池和電池的主要區(qū)別在于，只要提供燃料，燃料電池就可以發(fā)電，而電池則通過儲存的化學(xué)能發(fā)電，因此需要經(jīng)常充電。FC的工作原理如圖2所示，燃料電池組件如圖3所示。FC由類似于電池的陽極和陰極組成。提供給電池的燃料是氫氣和氧氣。燃料電池的概念與電解水相反，在FC中，氫和氧結(jié)合形成電和水。供應(yīng)給燃料電池的氫燃料每個分子兩個以H2形式化學(xué)結(jié)合在一起的氫原子組成。這種分子包括兩個獨立的原子核，每個原子核含有一個質(zhì)子，同時共享兩個電子。燃料電池將這些氫分子分解產(chǎn)生電能，這種反應(yīng)發(fā)生在陽極。催化劑加速反應(yīng)，電解質(zhì)允許兩個氫離子(本質(zhì)上是兩個單質(zhì)子)通過放置在兩個電極之間的電解質(zhì)移動到陰極。電子通過外部電路從陽極流到陰極，產(chǎn)生了電能。為了使整個電池反應(yīng)完成，必須使氧氣或空氣通過陰極。陰極反應(yīng)分兩個階段進行。首先，分子中兩個氧原子之間的鍵斷裂，然后每個電離的氧原子通過外部電路捕獲來自陽極的兩個電子，從而帶負電。帶負電的氧原子在陰極處被帶正電的氫原子平衡，生成水H2O。燃料電池反應(yīng)的副產(chǎn)物是水，以蒸汽的形式與多余的氫一起離開電池。水蒸汽可以用來加熱車輛內(nèi)部，但排出的氫氣對系統(tǒng)來說是一種浪費。單個電池是分開的，多個燃料電池“堆疊”，以產(chǎn)生足夠的電力。

圖2 燃料電池工作原理

圖3 燃料電池組件

有幾種不同類型的燃料電池，它們有各自的優(yōu)點和缺點。盡管較高的溫度會導(dǎo)致較高的反應(yīng)速率，但對于車輛應(yīng)用而言，較低的操作溫度是可取的。6種主要類型的燃料電池如下。

(1)堿性燃料電池。

(2)質(zhì)子交換膜燃料電池。

(3)直接甲醇燃料電池。

(4)磷酸燃料電池。

(5)熔融碳酸鹽燃料電池。

(6)固體氧化物燃料電池。

在堿性燃料電池(AFC)中，使用氫氧化鉀(KOH)的水溶液作為電解質(zhì)。與使用酸性電解質(zhì)的一些其他燃料電池相比，堿性電解質(zhì)的性能與酸性電解質(zhì)一樣好，同時對電極的腐蝕性顯著降低。AFCs已在實際使用中長期提供高達60%的電氣效率。它們需要純氫作為燃料，在低溫(80℃)下運行，因此適用于車輛應(yīng)用。余熱可用于加熱，但電池溫度不足以產(chǎn)生可用于熱電聯(lián)產(chǎn)的蒸汽。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEM)使用固體電解質(zhì)，在低溫(約80℃)下運行。這些燃料電池也被稱為固體聚合物膜燃料電池。PEM燃料電池的電效率低于堿性電池(約40%)。然而，堅固和簡單的結(jié)構(gòu)使這些類型的燃料電池非常適合車輛應(yīng)用。PEM燃料電池和AFC是目前正在考慮用于車輛應(yīng)用的兩種類型。PEM電池的優(yōu)點是，與AFC所需的純氫相比，它們可以容忍燃料中的雜質(zhì)。許多汽車行業(yè)一直在探索使用甲醇、乙醇或汽油作為燃料，并將其轉(zhuǎn)化為燃料電池的氫氣。重整器是將碳氫化合物(如甲醇)分解為氫氣和其他副產(chǎn)品的燃料處理器。該方法的優(yōu)點是與氫氣相比，碳氫化合物燃料易于處理。不同類型燃料電池的比較見表1。

表1 不同類型的燃料電池

三、燃料電池電動汽車(FCEV)架構(gòu)和基本工作原理

豐田Mirai燃料電池電動汽車(FCEV)主要部件如圖4所示，動力系統(tǒng)框圖如圖5所示，工作原理示意圖如圖6所示。FCEV由燃料存儲系統(tǒng)、燃料電池及其控制單元、動力處理單元及其控制器以及由電機和傳動系組成的驅(qū)動單元組成。燃料電池電動汽車的工作原理總結(jié)如下。

圖5 FCEV系統(tǒng)框圖

圖6 豐田Mirai FCEV工作原理示意圖

1.將來自儲罐的氫氣供應(yīng)到燃料電池。

2.空氣也被供應(yīng)到燃料電池。

3.氧氣和氫氣在燃料電池堆中結(jié)合以產(chǎn)生電力和水。FCEV中使用的最常見類型的燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，也稱為聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池。

4.通過反應(yīng)產(chǎn)生的電被提供給電動機或電池。電池充當能量存儲器，為車輛提供加速時的額外能量，還可以從制動中捕獲再生能量，以提高車輛效率。

5.電機為車輪提供動力，水從車輛中排出。

典型的FCEV 乘用車在700bar(1bar=100MPa)的壓力下運行，車上有5kg氫氣。公共汽車或重型貨車等大型車輛有更多的可用空間來儲存燃料，因此通常采用350bar的儲存空間，使用更便宜的氣罐。一輛巴士在350bar的壓力下，在車頂安裝的氣瓶中儲存約25kg。典型的FCEV乘用車每行駛100km消耗1～1.4kg氫氣，車上儲存的氫氣不到10kg。重型貨車每100km可消耗約10 kg 氫氣，但儲存30～35kg氫氣。

圖7是FCEV系統(tǒng)架構(gòu)簡略框圖，燃料電池輸出電壓比較低；DC/DC轉(zhuǎn)換器用于在將電壓饋送到電動機驅(qū)動器之前升壓和調(diào)節(jié)電壓。燃料電池和電動機之間的電力電子接口電路包括用于升壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器、為AC電動機供電的DC/AC逆變器、用于控制的微處理器/數(shù)字信號處理器以及用于儲能的電池/電容器。圖7所示的高壓電池包直接與高壓直流鏈路連接，這需要電池包使用大量電池單元串聯(lián)在一起。也可以用雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器鏈路連接低壓電池包和高壓直流母線。燃料電池的電力輸出饋入低壓直流母線，該母線也由電池包維持。這種帶有低壓電池包的FCEV架構(gòu)如圖8所示。該架構(gòu)與豐田Mirai和現(xiàn)代Nexo FCEV中使用的架構(gòu)非常接近，組件規(guī)格也與Mirai相似?，F(xiàn)代Nexo FCEV系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示。燃料電池堆的時間常數(shù)比電負載動態(tài)的時間常數(shù)慢得多。電池存儲系統(tǒng)需要在瞬態(tài)和過載情況下提供電力，以及吸收由于再生制動引起的能量反向流動。

圖7 燃料電池電動汽車架構(gòu)1

圖8 燃料電池電動汽車架構(gòu)2

圖9 現(xiàn)代Nexo FCEV動力傳動系統(tǒng)架構(gòu)