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氢动力汽车产业系统及空压机应用情况分析

  1 氢能源汽车动力系统的优势
  氢能源汽车采用氢气作为动力能源,在燃料电池系统里与氧气发生化学反应产生电,经过DC/DC(Direct Current /Direct Current,直流电升压转换器)电压处理之后,三相高压电驱动电机,带动汽车行驶。氢气与氧气发生化学反应的产物只有热量、水和电,不会有任何碳化物,实现了零排放,因此不会对环境产生污染。氢能源汽车除了环保以外,还有以下优势:
  (1)加氢时间短。一般加满所有氢瓶只需要3~5min。
  (2)续航里程可控。乘用车续航一般可以达到500 km以上,可以消除用户的“续航焦虑症”。续航里程与车载氢瓶数量直接相关,增大氢瓶容积可以增加续航里程。在考虑整车成本的情况下,可根据车辆续航要求调整氢瓶容积。
  (3)地域局限性小。氢能源汽车目前可实现-20℃环境下冷启动,因此在北方也可以使用氢能源汽车。随着技术的发展,已有厂家试验-40℃低温环境下冷启动,如果试验成功,则高寒地区也可运行氢能源汽车。
  (4)氢气来源较广。可通过热化学制氢、水电解制氢、等离子体制氢、化石能源制氢、太阳能制氢、生物质制氢、核能制氢、含氢载体制氢、副产氢回收等多种方式制取氢气,氢气来源广泛。
  2 氢能源汽车燃料电池系统原理
  氢能源汽车的动力系统关键是燃料电池系统。燃料电池提供了氢气、氧气化学反应的场所,并把电流集合、输出。同时,系统需要给燃料电池供给氢气、氧气,提供冷却,保证燃料电池正常高效运行。因此,燃料电池系统是一个复杂的电流发生系统,不同厂家给出了不同的系统原理图。为保证燃料电池正常高效运行,图1设计了4条回路:氢气路——由高压氢瓶、氢气循环泵、阀组等组成,向电堆供给氢气,并将高压氢气降压至燃料电池所需压力;空气路——由空滤、空压机、中冷器、加湿器等组成,向电堆供给氧气,使得氢气在电堆内部充分发生化学反应;冷却水路——由膨胀水箱、去离子器、水泵、散热器等组成,将电堆内部化学反应产生的热量带走,保证电堆持续工作在最佳温度;电路——由DC/DC等组成,后接车辆各用电设备。
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  3 燃料电池系统关键零部件
  下文将围绕4条回路介绍系统中涉及的关键零部件。
  1)高压氢瓶
氢动力汽车产业系统及空压机应用情况分析
  目前国内市场上主要有Ⅲ型瓶供汽车高压供氢系统使用,如图2所示。Ⅲ型瓶工作压力为30~70MPa,使用寿命为15~20年;瓶身采用金属铝内胆。目前国内供应商主要有沈阳斯林达、北京天海、张家港国富氢能等。也有厂家宣称已经成功研制了Ⅳ型瓶,已按照国外氢瓶标准通过了实验验证。但目前我国没有明确的法规标准,还不能应用于车辆上。
  2)空压机
  空压机为系统提供满足压力要求的空气。燃料电池系统用空压机可分为两大类,即容积式和速度式(透平式)。容积式分为回转式(包括螺杆式、滑片式、罗茨式)和往复式(包括活塞式、隔膜式)。速度式主要包括离心式、轴流式、喷射式、混流式。目前在氢能源汽车上使用的空压机主要有4种类型。
  (1)双螺杆压缩机。螺杆式制冷压缩机具有转速高、质量轻、体积小、占地面积小以及排气脉动低等一系列优点。但其转子、机体等部件加工精度要求高,装配要求比较严格;油路系统及辅助设备比较复杂;转速高,噪声比较大。
  (2)涡旋压缩机。涡旋式压缩机属于容积式机械,在容积式流体机械中容积效率较高,且压力与气量连续可调,在宽的工况下都可以达到较高的效率。涡旋机械可设计成压缩机—电机—膨胀机共轴的一体化结构型式,但与离心式相比尺寸和质量较大。
  (3)罗茨压缩机。目前只有丰田采用该压缩机,这是一种利用两个叶形转子在气缸内作相对运动来压缩和输送气体的回转压缩机。这种压缩机靠转子轴端的同步齿轮使两转子保持啮合。
  (4)离心压缩机。本田、通用汽车都在使用该压缩机,这是一种速度式压缩机,有诸多优点,如排气量大、排气均匀、气流无脉冲,转速高、体积小、效率高、噪声小,机内不需要润滑,密封效果好、泄露现象少,有平坦的性能曲线,操作范围较广,易于实现自动化和大型化,易损件少、维修量少、运转周期长。缺点主要是负荷变化大,气流速度大,流道内的零部件有较大的摩擦损失,有喘振现象。各型式空压机性能对比见表1。
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  3)增湿器
  空气在进入电堆之前需要加湿处理,确保质子交换膜有合适的湿度。电堆内部的空气湿度与电导率有密切关系,如果电堆内过于干燥会导致电导率大幅下降;如果湿度过大,电堆内有液态水流动,会阻碍氢气、氧气接触到催化剂发生化学反应产生电流;因此需要对电堆采取适当的增湿措施。增湿手段包括内增湿、外增湿。图1中系统采用的外增湿器如图3所示。目前增湿器的供应商主要来自国外。
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  4)散热器
  散热器由高温散热和低温散热两部分组成,其中高温散热只供电堆使用。电堆对冷却介质性能要求较高,比如具有电导率极低、无污染性、热容量高、凝固点低等特性,一般采用纯水或者纯水与乙二醇的混合物。低温散热采用两条回路,空压机、空压机控制器为一条回路,电机、电机控制器、分电器、直流升压转换器为另一条回路。
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  5)去离子器
  去离子器(如图4所示)在冷却介质循环过程中不断将介质去离子化,保证介质的高纯度,达到冷却需求。一旦系统监测到介质纯度不满足冷却要求,则提醒更换新的冷却介质。
  4 氢能源动力系统的发展
  当前氢能源产业链还不成熟,氢能源动力系统在零部件选型上空间较小,关键的零部件只能采用现存产品,这样集成的动力系统效率低下,因此国内目前氢能源乘用车没有大规模上市销售。随着氢能源产业的发展,越来越多的资源投入会聚焦到氢能源上,零部件技术会趋于成熟,氢能源动力的关键技术会得到更好解决。不仅会在动力系统技术上取得较大突破,而且其开发周期、研发成本等方面都会大幅缩减。
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