氢能源在燃料电池城市客车上的应用

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【论文摘要】环境污染、全球变暖、能源短缺的压力，使传统的内燃机汽车在进入二十一世纪时面临前所未有的挑战，汽车制造商都努力尝试使用新能源来提高汽车的经济环保特性。各国政府及各大汽车制造商都纷纷投入巨资进行质子交换膜燃料电池(PEMFC)电动汽车的研究与开发。燃料电池汽车技术与传统汽车、纯电动汽车技术相比，具有下面的优势。
【关键词】氢能源,燃料电池城市客车

0、项目背景

环境污染、全球变暖、能源短缺的压力，使传统的内燃机汽车在进入二十一世纪时面临前所未有的挑战，汽车制造商都努力尝试使用新能源来提高汽车的经济环保特性。各国政府及各大汽车制造商都纷纷投入巨资进行质子交换膜燃料电池(PEMFC)电动汽车的研究与开发。燃料电池汽车技术与传统汽车、纯电动汽车技术相比，具有下面的优势。

(1)效率高

燃料电池的工作过程是化学能转化为电能的过程，不受卡诺循环的限制，能量转换效率较高，1999年戴姆勒一克莱斯勒推出的燃料电池概念车NECAR4从油箱到车轮的能量效率为37.7％，而高效汽油机和柴油机汽车整车效率分别为16－18％和22－24％

(2)续驶里程长

采用燃料电池系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。

(3)绿色环保

燃料电池没有燃烧过程，以纯氢作燃料，生成物只有水，属于零排放。采用其它富氢有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池的燃料，生产物除水之外还可能有少量的CO2，接近零排放。

(4)过载能力强

燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达额定功率的200％或更大。

(5)低噪音

燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其它运动部件，因此与内燃机汽车相比，运行过程中噪音和振动都较小。

(6)设计方便灵活

燃料电池汽车可以按照X－By－Wire的思路进行汽车设计，改变传统的汽车设计概念，可以在空间和重量等问题上进行灵活的配置。

在燃料电池汽车国际大开发的背景下，根据中国汽车工业发展的战略需要，中国国家高技术研究发展计划(863计划)的“十五”计划把燃料电池城市客车列为电动汽车重大专项中的一个重要子课题。燃料电池城市客车项目从2002年初启动，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室为研究工作的主要承担单位，第一辆原型车已经在2002年底通过国家验收。

1、整车氢源与动力系统结构选择

设计863燃料电池城市客车首先要选择适合于中国的经济条件和道路条件的氢源方案与动力系统结构。

1.1氢源方案比较车上供氢系统可分为车载制氢和车载纯氢两大类。

1.1.l车载制氢

车载制氢需要内部高温的燃料处理器，通过重整或部分氧化等方式由燃料中获得氢。用于车载制氢的燃料可以是醇类(甲醇、乙醇、二甲醚等)、烃类(柴油、汽油、LPG、甲烷等)。其它物质如氨、金属或金属氢化物等也可以作为制氢原料。

从技术上看，醇类燃料制氢的温度较低，制氢反应容易实现。其中甲醇通常被认为是最为合适的车载制氢燃料。DaimlerChrysler公司的Necars，于2002年6月4日完成了横穿美国东西部的壮举，行程3000余英里，充分证明甲醇车载重整制氢燃料电池汽车的技术可行性。

烃类比醇类制氢难度大，主要表现在重整的温度高和硫的脱除。烃类燃料中，天然气由于是气态燃料，车载储运比较困难，并且车载重整最难，工作温度最高，一般不作为燃料电池车载氢源的燃料。

其它制氢方法中，氨因为作为制氢原料成本高、有较大的腐蚀性，而且氨完全裂解温度高，因此不适宜选为车载制氢燃料。而金属或金属氢化物水解制氢，由于其高能耗和高成本、以及原料制备过程中的高排放，只能用于特殊的场合，而不适合于大规模的汽车行业。

车载制氢避免了固定的氢制取、运输和加注等基础设施及车载储氢系统的技术问题和投资。不过，在目前中国进行