燃料電池電動汽車技術詳解(一)

◆文/山東 焦建剛

燃料電池電動汽車技術詳解(一)

◆文/山東 焦建剛

焦建剛

(本刊編委會委員)

現(xiàn)任濟南魯鷹豐田汽車銷售服務有限公司總工程師，山東交通學院客座教授；曾任博世山東培訓基地主任。對當代汽車故障診斷以及電子控制系統(tǒng)波形有較深入的研究，著有《現(xiàn)代汽車電子控制系統(tǒng)波形分析》一書。

一、燃料電池電動汽車類型

燃料電池電動汽車(FCEV)按燃料特點可分為直接燃料電池電動汽車和重整燃料電池電動汽車(圖1燃料電池電動汽車分類)。

圖1 燃料電池電動汽車分類

直接燃料電池電動汽車的燃料主要是氫氣；重整燃料電池電動汽車的燃料主要有汽油、天然氣、甲醇、甲烷、液化石油氣等。氫燃料電池電動汽車排放無污染，被認為是最理想的汽車。

FCEV按氫燃料的存儲方式可分為壓縮氫燃料電池電動汽車、液氫燃料電池電動汽車和合金(碳納米管)吸附氫燃料電池電動汽車。

FCEV按“多電源”的配置不同，可分為純?nèi)剂想姵仳?qū)動(PFC)的FCEV、燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(FC+B)的FCEV、燃料電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)動(FC+C)的FCEV以及燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動(FC+B+C)的FCEV。其中，采用燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動的FCEV(圖2)使用較為廣泛。

二、燃料電池電動汽車基本組成與原理

燃料電池電動汽車主要由燃料電池、高壓儲氫罐、輔助動力源、DC/DC轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動電機和整車控制器等組成。

礦體與頂?shù)装鍑鷰r界線清楚[13]，產(chǎn)狀與圍巖一致。礦石具明顯的條紋、條帶狀構造顯示出受變質(zhì)的沉積巖的特征。

圖2 燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動的FCEV

圖3 所示為豐田Mirai(未來)氫燃料電動汽車，其組成包括燃料電池、儲氫罐、儲能電池、升壓轉(zhuǎn)換器、電動機、動力控制單元等。

圖3 豐田氫燃料汽車結構及部件圖

1.燃料電池

燃料電池是燃料電池汽車的主要動力源，它是一種不燃燒燃料而直接以電化學反應方式將燃料的化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。

如圖4所示，豐田Mirai的燃料電池內(nèi)部有370枚燃料電池原件存儲，燃料電池堆棧中每片電池發(fā)電的電壓大約在0.6～0.8V之間。表1為豐田兩代燃料電池參數(shù)對比。

燃料電池發(fā)電的基本原理是：電池的陽極(燃料極)輸入氫氣(燃料)，氫分子(H2)在陽極催化劑作用下被離解成為氫離子(H+)和電子(e-)，氫離子(H+)穿過燃料電池的電解質(zhì)層向陰極(氧化極)方向運動，電子(e-)因通不過電解質(zhì)層而由一個外部電路流向陰極；在電池陰極輸入氧氣，氧氣在陰極催化劑作用下離解成為氧原子(O)，與通過外部電路流向陰極的電子(e-)和燃料穿過電解質(zhì)的氫離子(H+)結合生成穩(wěn)定結構的水(H2O)，完成電化學反應，放出熱量。這種電化學反應與氫氣在氧氣中發(fā)生的劇烈燃燒反應是完全不同的，只要陽極不斷輸入氫氣，陰極不斷輸入氧氣，電化學反應就會連續(xù)不斷地進行下去，電子(e-)就會不斷通過外部電路流動形成電流，從而連續(xù)不斷地向汽車提供電力。

圖4 豐田Mirai燃料電池圖

表1 豐田兩代燃料電池堆參數(shù)對比

催化劑是一種化學物質(zhì)，可以提高反應速度且不被消耗；在反應之后，它可以從反應混合物中恢復，化學性質(zhì)不變。催化劑可以降低活化能所需能量，允許更快地或在較低的溫度進行反應。在燃料電池中催化劑催進氧化劑和燃料的反應。燃料電池中的催化劑通常是由薄鉑粉涂到碳紙或布上，催化劑是粗糙和多孔狀，因此鉑的最大表面面積可以接觸到氫或氧。催化劑的鉑鍍在面朝在燃料電池中的膜上。

燃料電池反應堆是一個化學“發(fā)電廠”，利用電解水的逆反應過程從氫氣和氧氣化學反應過程中電荷轉(zhuǎn)移得到電能(圖5燃料電池工作原理圖)。

負極：H2→ 2H+ + 2e-

正極：?O2+ 2H+ + 2e- → H2O

圖5 燃料電池工作原理圖

2.儲氫罐

儲氫罐是氣態(tài)氫的儲存裝置，用于給燃料電池提供氫氣。為了保證燃料電池電動汽車一次充氣有足夠的續(xù)駛里程，就需要多個高壓儲氣罐來儲存氣態(tài)氫氣。一般轎車需要2～4個高壓儲氣罐，大客車需要5～10個高壓儲氣罐。

圖6為豐田Mirai氫燃料電動汽車的儲氣罐圖，其由兩個儲氣罐組成，容積分別為60L和62.4L，最大可以儲存5kg氫燃料，儲氣壓力可達70MPa。罐體采用碳纖維加凱夫拉復合材質(zhì)，其強度可以抵擋輕型槍械的攻擊。加滿兩個儲氣罐大約需要3～5min。

圖6 儲氫罐

3.輔助動力源

因FCEV的設計方案不同，其所采用的輔助動力源也有所不同，可以用蓄電池組、飛輪儲能器或超大容量電容器等共同組成雙電源系統(tǒng)。

豐田Mirai的輔助動力源采用的是鎳錳蓄電池，如圖7所示。

圖7 鎳錳蓄電池

4.DC/DC轉(zhuǎn)換器

FCEV的燃料電池需要裝置單向DC/DC轉(zhuǎn)換器，蓄電池和超級電容器需要裝置雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要功能有調(diào)節(jié)燃料電池的輸出電壓，能夠升壓到650V；調(diào)節(jié)整車能量分配；穩(wěn)定整車直流母線電壓。

豐田燃料電池電動汽車采用的DC/DC升壓器可以將燃料電池產(chǎn)生的222～296V之間的電壓升壓到650V，以便更好的驅(qū)動電機(圖8為豐田燃料電池升壓器示意圖)。

圖8 豐田燃料電池升壓器

5.驅(qū)動電機

燃料電池電動汽車使用的驅(qū)動電機主要有直流電機、交流電機、永磁同步電機和開關磁阻電機等。

豐田Mirai作為一款氫燃料電池車，前后軸各配備了一臺最大輸出功率114kW，最大扭矩335Nm的電動機(圖9豐田氫燃料電池電動汽車驅(qū)動電機)。

圖9 豐田氫燃料電池電動汽車驅(qū)動電機

6.整車控制器

整車控制系統(tǒng)是燃料電池汽車的控制核心，由燃料電池管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、驅(qū)動電機控制器等組成，它一方面接收來自駕駛員的需求信息(如點火開關、加速踏板、制動踏板、擋位位置信號等)實現(xiàn)整車工況控制；另一方面基于反饋的實際工況(車速、制動、電機轉(zhuǎn)速等)以及動力系統(tǒng)的狀況(燃料電池及動力蓄電池的電壓、電流等)，根據(jù)預先設定好的多能源控制策略進行能量分配調(diào)節(jié)控制(圖10為豐田Mirai燃料電池電動汽車工作原理)。

圖10 豐田Mirai工作原理

(未完待續(xù))