燃料电池发动机系统的组成

　　第二章 汽车复合电源发动机系统的结构

　　2.1 燃料电池电动汽车的组成。

　　采用燃料电池做能源的电动汽车叫做燃料电池电动汽车，即Fuel Cell ElectricVehicle（FCEV）[15].独立的燃料电池电堆是不能应用于汽车的，它必须由电堆的各个子系统和电堆控制器组成燃料电池发动机才能向外输出功率[16,17].燃料电池电动汽车的主要结构见图2.1.主要由整车控制器、燃料电池发动机、DC/DC转换器、镍氢电池包、驱动系统、车轮等部件组成，各部件通过CAN总线组成一个分布式控制系统，信号传输介质为光纤[18].燃料电池是FCEV的主要能源，镍氢电池包作为辅助电源。燃料电池发动机和镍氢电池包并联组成一个高压直流电源。驱动系统由电机（含减速器）和电机控制器组成[19].

　　2.2 燃料电池发动机系统的组成。

　　作为燃料电池电动车核心的燃料电池发动机系统主要由燃料电池堆、氢气供给系统、空气供给系统、冷却水管理系统、报警系统、通讯系统和控制器这七部分组成。

　　2.2.1 燃料电池电堆。

　　燃料电池有许多种类，根据所用电解质性质不同可分为5类：

　　（1）碱电解质燃料电池（Alkaline Fuel Cells,AFC）采用氢氧化钾作为电解液。

　　这种电解液效率很高（可达60%~90%），但对影响纯度的杂质，如二氧化碳很敏感，因而运行中需要采取纯态的氢气和氧气。这一点限制了将其应用于宇宙飞行及国际工程等领域。

　　（2）质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells,PEMFC）采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。这种电解质具有极薄的高功率（重量比和低工作温度）。是适用于固定和移动装置的理想材料。

　　（3）磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cells,PAFC）采用2000℃高温下的磷酸作为其电解质，很适合用于分散式的热电联产系统。

　　（4）熔融酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cells,MCFC）它以高温下熔融的碳酸锂、碳酸钾作为电解质，工作温度可达600~1000℃，不仅可以直接利用余热进行供热，而且排出的高温气体可以带动汽轮机进行二次发电，可以组成大型复合式发电系统。

　　（5）固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells,SOFC）用的是固态电解质（钻石氧化物），性能很好。它们需要采用相应的材料和过程处理技术，因为电池的工作温度约为1000℃。

　　由以上几种电池的特性可知，质子交换膜燃料电池较为适合作为车用动力装置。以下将重点介绍质子交换膜燃料电池的工作原理，发电特性以及优缺点等。

　　下文中将简称质子交换膜燃料电池为燃料电池。燃料电池就是把化学能直接转化为电能的装置。它与一般电池一样，燃料电池是由阴极、阳极和电解质构成。

　　在阳极（负极）上连续提供气态燃料，如氢气。而阴极（正极）上则连续提供氧气（或由空气提供），这样就可以在电极上连续发生电化学反应，并产生电流。由于电极上发生的反应大多为多相界面反应，为提高反应速率，电极一般采用多孔材料[20].从理论上讲，只要连续不断地给电池供应燃料和氧化物，燃料电池就能连续发电。但实际上，由于元件老化和故障等原因，燃料电池有一定的寿命。

　　燃料电池电流-电压特性曲线如上图2.2所示。可见，在燃料电池加负载的阶段，电压Ufc下降较快，随着负载的增加，电流增大，电压下降，下降的斜率比普通电池大得多，所以燃料电池的输出特性相对较软；对于某特定负载，输出功率的波动会导致燃料电池效率下降。

　　PEMFC除具有一般燃料电池的优点外，作为车用首选还有自身特有的优点，概括起来有以下几点[21]:

　　（1）工作温度低。一般工作温度为50~100℃，所以有在低温下启动快的特点。

　　（2）工作可靠性高。电解质是一种固体有机膜，不怕震动，无运动部件。

　　（3）无化学腐蚀。电解质含水，而不含腐蚀性的酸或碱。

　　（4）能量密度高，续驶里程长。

　　（5）无排放污染。纯氢燃料电池工作只消耗氢气和氧气，生成水，而使用碳氢化合物的燃料电池，也只有极少量的二氧化碳气体排放。

　　（6）对燃料适应性强。燃料既可采用纯氢，也可使用转化燃料。可利用空气作氧化剂，而不需纯氧。

　　（7）结构简单、制造方便。

　　（8）对瞬时的载荷有良好的反应。

　　（9）效率高。因不受"卡诺循环"的限制，其能量转化为效率高达60%~80%实际使用效率则是普通内燃机的2~3倍。

　　正是这些突出的优点，使得PFMFC成为非常适合车辆使用的绿色动力源。

　　2.2.2 氢气供给系统。

　　燃料电池电堆的连续工作需要有充足的氢气供应，氢气供给系统就是完成储藏氢气燃料和连续提供一定压力和流量的高纯度氢气。由氢气供给系统的功能可知，系统中应有氢气罐储藏高压氢气燃料，其中的高压氢气可通过气瓶阀和减压阀后变为相对低压氢气。在高压氢气出口处要设计高压氢气压力传感器，用以测量氢气的剩余储量。因为氢气罐的压力较高，因此该传感器应可承受高压（该压力由氢气罐的耐压值决定，约为200bar）；氢气为极危险的气体，氢气压力传感器必须为防爆型。在车载系统中，电磁干扰十分严重，传感器的信号容易被干扰。

　　出于抗干扰的考虑，传感器的信号输出方式应为4~20mA电流型[22].在氢气罐的附近还需安装氢气报警器，在有氢气泄漏时及时发出报警信号。相对低压氢气电动调节阀的调节作用，变成满足电堆要求的一定压力和流量的氢气，并且经过氢气加湿器加湿，进入电堆。在电堆的入口处安装有压力传感器和湿度传感器，分别监视入口氢气的相关参数。该类型的压力传感器的测量范围较小，约为2bar,其余的参数与高压压力传感器类似。氢气入堆前通过氢气流量计的测量可获得当前氢气流量。氢气流量计和后面所介绍的空气流量计、水流量计的原理是相同的。

　　当被测流体流经过传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，叶轮即周期性地改变磁电感应系统中的磁阻值，使通过线圈的磁能量周期性地发生变化而产生电脉冲信号，经放大器放大后传送至相应的流量计算仪表，进行流量或总量的测量，它的供电电压是5~24V,随流量不同输出的脉冲数也随之变化。

　　控制器根据实时测量的数据调节电动调节阀控制压力和流量。

　　氢气入堆后与氧气在电堆的质子交换膜的表面发生电化学反应，产生电能和水。未反应完的氢气和反应生产的水一同出堆，通过氢气循环泵的作用泵回氢气通道，反复使用，提高效率。电堆的出口处还有一个电磁阀与大气相通，按控制策略不定时打开。电堆出口处安装了压力传感器，可与电堆入口处安装的压力传感器一同使用，获取电堆入口和出口的压差，便于控制。水汽分离器将部分水蒸气冷凝回收，循环使用。

　　在氢气供给系统中，与氢气罐并联放置的还有氮气罐，同样也经过气罐阀、手动减压阀、氮气电磁阀后流入氢气回路。氮气罐的作用主要是从安全的角度上来考虑的，当电堆发电前或电堆停止工作时，为了避免残存在气路的氢气和氧气发生反应造成危险，所以要充入惰性气体氮气[21].

　　系统中的气罐阀、手动减压阀都是纯机械装置，是人工手动调节的，在电堆工作之前就应该将其打开。车载系统的低压供电为12V,所以电磁阀工作电压为12V,燃料电池发动机控制器分别用继电器来控制各个电磁阀的开启和闭合。

　　步进调节阀实际上是由一个小的步进电机驱动，控制其步数就可以控制阀的开度，从而改变氢气流量。氢气加湿器是一个可控部件，它用来调节氢气入堆前的湿度。汽水分离器是一个固定的装置，不需要进行控制。根据以上分析和设计，氢气供给系统。

　　2.2.3 电功率测量系统。

　　要测量电功率就必须测出燃料电池电堆工作时的电压及流过电堆的电流。选用的电压传感器检测电压的范围为0~300V,传感器输出为0~3.5V的电压，负载能力为5mA,响应时间为15us.电压传感器检测电压的范围为0~300V,电流传感器检测电流的范围为0~200A.输出为0~3.5V的电压，负载能力为5mA,响应时间为15us.

　　2.2.4 报警系统。

　　燃料电池发动机是氢气和氧气在质子交换膜上发生反应而发电。氢气是属于易燃易爆的气体，在高温高压的环境中会变得更加不稳定，而且该发动机是一个车载系统，所以安全性就显得尤为重要。

　　报警系统将可能的故障按危险性分为多个等级，不同等级对应不同操作。

　　首先必须防止氢气泄露到空气中发生爆炸，在氢气罐瓶口和电堆旁分别安装了氢气报警器。该报警器由球状可燃气敏感体和补偿元件组成的惠斯登电桥的两个臂，由两个精密电阻组成电桥的另外两个臂，其中检测元件对可燃气体敏感，补偿元件对可燃气体不敏感。当它正常工作不接触可燃气体时，电桥平衡，当其接触到可燃气体时，敏感体的电阻值迅速变化，使其两端电位不等。当被监测气体浓度没有超过其限度时，开关量输出高电平，达到或超过其限度后，该传感器就报警，同时输出端为低电平。一旦检测到有氢气泄露时，为保证人员的生命安全，燃料电池控制器将立即进行报警和采取关机措施[26].

　　同时，报警系统检测到电堆有任何其它的险情时就要向操作人员发出报警信号，或者是自行采取操作。其主要的报警如下：

　　（1）水箱水位报警：当水箱中的水低于某一位置时，提示操作人员加水。

　　（2）电导率报警：当循环水中的电导率达到一定值时，为防止水的漏电，提示操作人员换水。

　　（3）氢气进堆压力报警：正常状态时氢气进堆的压力应该在1bar以下，如果大于1bar说明氢气罐的阀有问题，提示操作人员，需要进行检修。

　　（4）电堆出口水温报警：燃料电池发生反应，必须保证在一定的温度下，如果超过100℃，会使质子交换膜损坏，从而影响电堆的寿命。此时除了报警以外，燃料电池发动机控制器还应进行强行关机。

　　（5）循环水流量报警：为使电堆能正常的散热，循环水必须要在整个水路中流动。所以当水流量为0时，就应该报警提示操作人员水循环不正常需要检修。

　　（6）功率报警：燃料电池发动机是一个软特性。电流越大，电压就越低。所以如果在工作过程中，电流很小且电压也很低时，就说明此时的电堆也处于一种不正常的工作状态下，此时也要提醒操作人员，电堆有故障。

　　2.2.5 通讯系统。

　　燃料电池发动机的通信系统主要包括两块，一个是与整车控制系统的通信，另一个是与上位机的通信。

　　燃料电池发动机控制器是属于整车智能控制系统的一个子系统，主要是给电动汽车提供能量，所以要设计一个与整车控制系统的通讯接口。CAN总线最初就是德国Bosch公司为汽车的监测、控制系统而设计的，它具有良好功能特性和极高的可靠性，现场抗干扰能力强。所以，本发动机控制系统与整车控制系统选择CAN总线通讯，并且为了抗干扰，通讯介质使用光纤。

　　同时为了方便燃料电池堆的调试以及对实验数据的保存记录，控制器还要设计一个RS232接口，通过它与PC机通讯。

　　2.2.6 控制器。

　　控制器是整个燃料电池发动机的大脑，它完成对整个发动机的功能模块的控制以及与整车和其他控制器的通信。燃料电池发动机控制器接收整车控制器的命令，控制发动机中的各个部件，输出电能以驱动汽车行使，并尽可能实现最高的能量效率。所以发动机控制器的好坏直接决定了发动机的性能。

　　控制器接受燃料电池发动机系统中所有传感器的信号，如温度传感器，电压、电流传感器，流量传感器和各种压力传感器等。这些传感器的种类各不相同，供电电压不统一，且信号输出的方式分为电压型，电流型，脉冲型以及电平型。它们采集系统中的各种信息，并将这些信息在控制器中进行综合分析、融合，得出有用的信息用于系统控制，因此系统中各种传感器必须满足系统的要求，适合系统的使用环境，才能很好的为系统所服务。

　　系统中的各种传感器构成了一个传感器系统，这个系统在发动机中起到的作用有如"眼睛",对系统的稳定性和可靠性至关重要，所以对系统中所用的传感器及其构成的传感器系统的研究就显得十分重要了。