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燃料電池動力系統(tǒng)構(gòu)型與關(guān)鍵部件

2021-09-12 00:14:30·  來源：CEA氫氫子衿  
　
1 燃料電池動力系統(tǒng)構(gòu)型燃料電池動力系統(tǒng)中的二次儲能電池可以有多種類型,包括鋰離子電池?鎳氫電池和超級電容器等?因此,燃料電池動力系統(tǒng)存在多種構(gòu)型方案,目
1 燃料電池動力系統(tǒng)構(gòu)型
燃料電池動力系統(tǒng)中的二次儲能電池可以有多種類型,包括鋰離子電池?鎳氫電池和超級電容器等?因此,燃料電池動力系統(tǒng)存在多種構(gòu)型方案,目前常用的燃料電池動力系統(tǒng)構(gòu)型方案見表2?

表2 常用的燃料電池動力系統(tǒng)構(gòu)型方案
 
1.1 單一燃料電池構(gòu)型

單一燃料電池構(gòu)型只包含燃料電池一個能量源,單一燃料電池動力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括燃料電池系統(tǒng)?整車控制器?DC/DC?逆變器和電機(jī)等部件?汽車的所有功率負(fù)荷都由燃料電池承擔(dān)?燃料電池系統(tǒng)將氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的電能傳給驅(qū)動電機(jī),驅(qū)動電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再傳給傳動系統(tǒng),從而驅(qū)動汽車前進(jìn)?
圖1 單一燃料電池動力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
 
燃料電池輸出電壓一般比電動汽車動力總線電壓要低,特性比較軟,即隨著輸出電流的增加,電壓下降幅度比較大,為實(shí)現(xiàn)燃料電池輸出電壓與動力總線電壓匹配,就需要一個DC/DC(直流/直流)變換器?同時,DC/DC變換器可以對燃料電池最大輸出電流和功率進(jìn)行控制,起到保護(hù)燃料電池系統(tǒng)的目的?

1.2 燃料電池+動力蓄電池構(gòu)型

該種構(gòu)型有多種分類標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)是香插電可分為插電型和不插電型:根據(jù)配備的燃料電池和動力蓄電池的功率等級的差異,可分為能量混合型和功率混合型:根據(jù)燃料電池是否與直流母線直接連接,可分為直接型和間接型?

1.2.1 不插電型和插電型

不插電型燃料電池+動力蓄電池構(gòu)型動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5-2所示?該動力系統(tǒng)中,燃料電池系統(tǒng)為主要動力源,動力蓄電池配合燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行混合驅(qū)動,電能經(jīng)過電機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動系統(tǒng)?加速時,電池組和燃料電池堆共同輸出能量,保證整車的加速性能,由于電池組提供了部分能量,減輕了電池堆瞬時加速時的負(fù)擔(dān),避免陰極“氧氣饑餓”現(xiàn)象的發(fā)生,可延長電池堆壽命?制動時,電池組回收部分能量,此過程由電池管理系統(tǒng)控制?
圖2 不插電型燃料電池+動力蓄電池構(gòu)型動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
 
其優(yōu)點(diǎn)包括:燃料電池成本降低,對電池堆動態(tài)特性及功率要求降低,啟動容易,可靠性高?缺點(diǎn)包括:結(jié)構(gòu)復(fù)雜,緊急制動時的能量回收瞬時電流較高,動力蓄電池可能會受到一定損傷?目前這種配置方案應(yīng)用相對廣泛?

插電型燃料電池+動力蓄電池構(gòu)型與傳統(tǒng)的插電式混合動力汽車類似,該方案有兩種驅(qū)動模式,第一種以動力蓄電池為主要動力來源,動力蓄電池外接充電器可以為動力蓄電池充電;第二種是純?nèi)剂想姵仳?qū)動?燃料電池+動力蓄電池動力系統(tǒng)(插電)配置方案如圖5-3所示?

此方案一方面能夠發(fā)揮電動汽車低速性能好的特點(diǎn),解決擁堵造成的車輛起步停車和排放問題;另方面,適當(dāng)匹配動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù),能夠很好地解決燃料電池轎車性能?應(yīng)用和成本之間的矛盾?

1.2.2 能量混合型和功率混合型

根據(jù)配備的燃料電池和動力蓄電池功率等級的差異,燃料電池+動力蓄電池構(gòu)型可分為能量混合型和功率混合型兩大類?燃料電池轎車不同動力驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型的分析和比較見表3?能量混合型燃料電池+動力蓄電池混合驅(qū)動汽車燃料電池功率較小?在車輛行駛過程中,整車部分功率由燃料電池提供,不足部分由動力蓄電池提供?功率混合型燃料電池轎車在車輛行駛過程中,主動力源為燃料電池,動力蓄電池為輔助動力源,動力蓄電池只是在燃料電池啟動?汽車爬坡和加速時提供功率,在汽車制動時能回收制動能量?
圖3 燃料電池+動力蓄電池動力系統(tǒng)(插電)配置方案
表3 燃料電池轎車不同動力驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型分析和比較
 
(1)能量混合型的FCEV的特點(diǎn)
1)燃料電池所提供的功率占整車總需求功率的比例較小?
2)燃料電池只能提供一部分車輛行駛需求功率,不足部分還需其他動力源(如動力蓄電池或超級電容)提供?
3)燃料電池可在系統(tǒng)效率較高的額定功率區(qū)域內(nèi)長時間工作?
4)需配備較大容量的動力蓄電池,故整車重量增加,動力性變差,整車布置空間緊張?
5)每次運(yùn)行結(jié)束后,除要加注氫燃料外,還需用地面電源為動力蓄電池充電?
(2)功率混合型的FCEV的特點(diǎn)
1)燃料電池所提供的功率占整車總需求功率的比例較大?
2)燃料電池為主動力源,動力蓄電池或超級電容為輔助動力源?
3)車輛行駛需求功率主要由燃料電池提供,動力蓄電池只是在燃料電池啟動?車輛爬坡和加速時提供功率,在車輛制動時回收再生制動能量?
4)可減小動力蓄電池容量,有利于減輕車重,提高車輛動力性?
5)需配備較大功率的燃料電池,故整車成本較高?燃料電池工作狀況隨車輛工況波動較大?

1.2.3 直接型和間接型

根據(jù)DC/DC變換器位置的不同,可將動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩大類:直接燃料電池動力系統(tǒng)和間接燃料電池動力系統(tǒng)?
直接型燃料電池動力系統(tǒng)的一種基本結(jié)構(gòu)如圖4所示,它的結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)是燃料電池系統(tǒng)與直流母線直接相連,輔助動力源也直接并入動力母線?在此動力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,輔助動力源的存在可以回收制動能量,提高了整車的經(jīng)濟(jì)性,降低了燃料電池的功率需求,減少了成本,同時增加輔助動力源也增加了整車儲存的能量,增加了續(xù)駛里程?


圖4 直接型燃料電池動力系統(tǒng)的一種基本結(jié)構(gòu)
 
直接型燃料電池動力系統(tǒng)的另一種基本結(jié)構(gòu)如圖5所示,輔助動力源通過變換器后接入直流母線?增加DC/DC變換器可以降低直流母線對輔助動力源電壓的要求,使輔助動力源電壓不必再與直流母線電壓保持一致?
圖5 直接型燃料電池動力系統(tǒng)的另一種基本結(jié)構(gòu)
 
對直接燃料電池混合動力系統(tǒng)而言,燃料電池系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)的電壓匹配存在矛盾:當(dāng)母線電壓過低時,電機(jī)系統(tǒng)的功率輸出能力差,進(jìn)而影響了燃料電池最大功率輸出能力的發(fā)揮;而母線電壓比較高時,電機(jī)的最大功率輸出能力很好,燃料電池則由于電壓太高而輸出功率較小?

一種典型的間接燃料電池動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示?燃料電池系統(tǒng)通過單向DC/DC變換器并入直流母線,燃料電池的端電壓就可以通過DC/DC變換器的升壓或者降壓與系統(tǒng)直流母線的電壓進(jìn)行匹配,從而使燃料電池系統(tǒng)功率輸出與直流母線的電壓之間不在合關(guān)系,同時DC/DC變換器也可將直流母線電壓維持在電機(jī)系統(tǒng)的最佳工作范圍,提高系統(tǒng)效率?
圖6 典型的間接燃料電池動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
 
1.3 燃料電池+超級電容構(gòu)型

燃料電池+超級電容混合驅(qū)動構(gòu)型與燃料電池+動力蓄電池混合驅(qū)動構(gòu)型類似?燃料電池與超級電容聯(lián)合方案如圖7所示?其構(gòu)型特點(diǎn)是把輔助動力蓄電池?fù)Q成了超級電容?在該動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,有燃料電池和超級電容兩個動力源?汽車的功率負(fù)荷由燃料電池和超級電容共同承擔(dān),即燃料電池和超級電容-起為驅(qū)動電機(jī)提供能量,驅(qū)動電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動系統(tǒng),從而驅(qū)動汽車前進(jìn)?考慮到超級電容的能量密度,該構(gòu)型的燃料電池電動汽車大多為功率混合型燃料電池汽車,主動力源為燃料電池,超級電容為輔助動力源,超級電容只是在燃料電池啟動?汽車爬坡和加速時提供功率,在汽車制動時能回收制動能量?
圖 7 燃料電池與超級電容聯(lián)合方案
 
按照電極材料的不同,可以把超級電容分為三類:碳電極雙層超級電容?金屬氧化物超級電容和有機(jī)聚合物超級電容?金屬氧化物超級電容的優(yōu)點(diǎn)是比功率很高,但是價(jià)格昂貴,主要用于軍事領(lǐng)域;碳材料是商品化超級電容的主要材料,有成本低?單位質(zhì)量表面積大?技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)?

1.4 燃料電池+動力蓄電池+超級電容構(gòu)型
燃料電池?動力蓄電池與超級電容聯(lián)合方案如圖8所示?它是在燃料電池與輔助動力蓄電池混合驅(qū)動的FCEV的電壓總線上再并聯(lián)組超級電容,用于提供加速或吸收緊急制動的尖峰電流?
圖8 燃料電池?動力蓄電池與超級電容聯(lián)合方案
 
三能量源構(gòu)型特點(diǎn):燃料電池作為車輛的主能量源,通過主DC/DC與道變器相連,超級電容與雙向DC/DC串聯(lián),再與動力蓄電池并聯(lián)組成復(fù)合電源,作為車輛的副能量源?燃料電池與復(fù)合電源并聯(lián)共同為車輛提供能量?在這種構(gòu)型中,可以為燃料電池和復(fù)合電源分別設(shè)計(jì)控制策略,保證燃料電池能充分發(fā)揮其續(xù)駛里程長的特點(diǎn),同時保證燃料電池工作在高效區(qū),其動態(tài)響應(yīng)慢的缺陷能夠通過復(fù)合電源進(jìn)行調(diào)節(jié)?從復(fù)合電源子系統(tǒng)來看,經(jīng)過超級電容的“削峰填谷”作用,動力蓄電池不會出現(xiàn)大電流的充放電情況,可以提高動力蓄電池壽命?

在這種動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,燃料電池?動力蓄電池和超級電容一起為驅(qū)動電機(jī)提供能量,驅(qū)動電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動系統(tǒng),從而驅(qū)動汽車前進(jìn)?在汽車制動時,驅(qū)動電機(jī)變成發(fā)電機(jī),動力蓄電池和超級電容將儲存回饋的能量?
燃料電池+動力蓄電池+超級電容混合動力系統(tǒng)與“燃料電池+動力蓄電池”或“燃料電池+超級電容”混合動力系統(tǒng)相比較,具有明顯優(yōu)勢,尤其是在部件效率?動態(tài)特性?制動能量回饋等方面更有優(yōu)勢?構(gòu)型特點(diǎn)如下:
1)在采用燃料電池?動力蓄電池和超級電容聯(lián)合供能時,燃料電池的能量輸出更為平緩,隨時間變化波動較小?

2)能量需求變化的低頻部分由動力蓄電池承擔(dān),能量需求變化的高頻部分由超級電容承擔(dān)?各動力源的分工更加明細(xì),使得它們的優(yōu)勢也得到了更好的發(fā)揮?

3)可以更加充分地回收制動能量?
4)燃料電池+動力蓄電池+超級電容混合動力控制策略開發(fā)難度較大,尤其是在驅(qū)動時,由于能量流動自由度多,為了能夠充分發(fā)揮多能量源系統(tǒng)的輸出優(yōu)勢并保證整車動力性與經(jīng)濟(jì)性,對整車能量管理策略要求較高?

2 燃料電池動力系統(tǒng)關(guān)鍵部件介紹

本節(jié)將針對燃料電池動力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件(包括燃料電池?蓄電池?電機(jī)和DC/DC等)進(jìn)行詳細(xì)介紹?

2.1 燃料電池

隨著人們對環(huán)保和能源問題的關(guān)注度日益提升,燃料電池技術(shù)得到快速的發(fā)展?燃料電池主要可分為以下5種:質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)?堿性燃料電池(AFC)?磷酸型燃料電池(PAFC)?固體氧化物燃料電池(SOFC)以及熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)?

2.1.1 質(zhì)子交換膜燃料電池

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的結(jié)構(gòu)組成如圖9所示?PEMFC由膜電極(MEA)和帶氣體流動通道的雙極板組成?其核心部件膜電極是采用一片聚合物電解質(zhì)膜和位于其兩側(cè)的兩片電極熱壓而成,中間的固體電解質(zhì)膜起到了離子傳遞以及分割燃料和氧化劑的雙重作用,而兩側(cè)的電極是燃料和氧化劑進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的場所?
圖9 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的結(jié)構(gòu)組成
 
PEMFC通常以全氟磺酸型質(zhì)子交換膜為電解質(zhì),Pt/C或PtRu/C為電催化劑,氫或凈化重整氣為燃料,空氣或純氧為氧化劑,帶有氣體流動通道的石墨或表面改性金屬板為雙極板?PEMFC工作時,燃料氣和氧化劑氣體通過雙極板上的導(dǎo)氣通道分別到達(dá)電池的陽極和陰極,反應(yīng)氣體通過電極上的擴(kuò)散層到達(dá)電極催化層的反應(yīng)活性中心,氫氣在陽極的催化劑作用下解離為氫離子(質(zhì)子)和帶負(fù)電的電子,氫離子以水合質(zhì)子H+(nH2O,n約為3~5)的形式在質(zhì)子交換膜中從一個磺酸基遷移到另一個磺酸基,最后到達(dá)陰極?質(zhì)子的這種遷移導(dǎo)致陽極出現(xiàn)帶負(fù)電的電子積累,從而變成一個帶負(fù)電的端子(負(fù)極)?與此同時,陰極的氧分子在催化劑作用下與電子反應(yīng)變成氧離子,使得陰極變成了帶正電的端子(正極),在陽極的負(fù)電終端和陰極的正電終端之間產(chǎn)生了一個電壓?如果此時通過外部電路將兩端相連,電子就會通過回路從陽極流向陰極,從而產(chǎn)生電流;同時氫氧反應(yīng)生成水?

PEMFC以其操作溫度低?比能高?啟動快等優(yōu)勢被視為電動汽車最具潛力的能量來源之一?經(jīng)過多年的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā),質(zhì)子交換膜燃料電池用作汽車動力的研究已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,微型質(zhì)子交換膜燃料電池便攜電源和小型質(zhì)子交換膜燃料電池移動電源已達(dá)到產(chǎn)品化程度,中?大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的研究也取得了一定成果?在我國有中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所?清華大學(xué)?同濟(jì)大學(xué)?武漢理工大學(xué)?上?？臻g電源研究所?上海神力等機(jī)構(gòu)在開展PEMFC的研究,并取得了長足進(jìn)展,跟跑國外先進(jìn)水平?

2.1.2 堿性燃料電池

堿性燃料電池(AFC)是以堿性溶液為電解質(zhì),將存在于燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,是最早獲得應(yīng)用的燃料電池?其電解質(zhì)必須是堿性溶液,因此得名堿性燃料電池?氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液以其成本低?易溶解?腐蝕性低等優(yōu)點(diǎn),成為首選的電解液?催化劑主要用貴金屬鉑?鈀?金?銀和過渡金屬鎳?鈷?錳等?1973年AFC成功地應(yīng)用于阿波羅登月飛船的主電源,使人們看到了燃料電池的誘人前景?AFC具有啟動快?效率高?價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn),有一定的發(fā)展?jié)摿?
這種電池常用35%~45%的KOH為電解液,滲透于多孔而惰性的基質(zhì)隔膜材料中,工作溫度低于100°C?該種電池的優(yōu)點(diǎn)是氧在堿液中的電化學(xué)反應(yīng)速度比在酸性液中大,因此有較大的電流密度和輸出功率,但氧化劑應(yīng)為純氧,電池中貴金屬催化劑用量較大.而利用率不高?目前,此類燃料電池技術(shù)的發(fā)展已非常成熟,并已經(jīng)在航天飛行及潛艇中成功應(yīng)用?國內(nèi)已研制出200W氨-空氣堿性燃料電池系統(tǒng),制成了1kW?10kW20kW的堿性燃料電池,20世紀(jì)90年代后期在跟蹤開發(fā)中取得了非常有價(jià)值的成果?發(fā)展堿性燃料電池的核心技術(shù)是避免二氧化碳對堿性電解液成分的破壞,不論是空氣中百萬分之幾的二氧化碳成分,還是烴類的重整氣使用時所含有的三氧化碳,都要進(jìn)行去除處理,這無疑增加了系統(tǒng)的總體造價(jià)?此外,電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)生成的水需及時排出,以維持水平衡?因此,簡化排水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)也是堿性燃料電池發(fā)展中的核心技術(shù)?
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