燃料电池汽车技术发展与应用.doc

摘 要随着全球新一轮的能源危机，燃料电池的商业化已被提到了前所未有的高度，而作为石油消耗量最大的汽车，也必须加紧新的燃料电池汽车的研发和商业化。燃料电池汽车是电动汽车的一种，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高23倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制造厂，如戴姆勒克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司早在2004年以前就计划将燃料电池汽车投向市场。目前，燃料电池轿车的样车正在进行各项试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正作为示范项目在运行。在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化、提高商业化电动汽车燃料处理器等。目前一些以燃料电池为动力的汽车制造厂，都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力，并已取得了显著的进步。关键词：燃料电池、电动汽车、环境保护燃料电池汽车技术的发展与应用王人杰 Y066001081 绪论1.1 引言 随着汽车工业的迅速发展，推动了全球机械、能源等工业的进步以及经济、交通等方面的发展。但是，汽车在造福于人类的同时，也带来了很大的弊端。内燃机汽车造成的污染日益严重，尾气、噪声和热岛效应对环境造成的破坏已经到了必须加控制和治理的程度；特别在一些人口稠密、交通拥挤的大中城市情况更为严重。例如在我国上海市，1995年市中心城区内机动车的C0、HC、No 排污负荷分别占该区域内相应的排放总量的76、93和44 ；如不采取措施预计到2010年机动车排污负荷将进一步上升到94、98和75。而且，内燃机汽车是以燃烧油料、天然气等宝贵的资源为动力而这些资源同时又是重要的、不可再生的化工原料作为燃料直接烧掉是极大的浪费。按照目前的消耗速度，石油、天然气等资源仅仅能再维持数十年的时间。显然，内燃机汽车造成的环境污染以及对资源的消耗，极大地威胁着人类的健康与生存。随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨，新一代电动车作为无污染、能源可多样化配置的新型交通工具，引起了人们的普遍关注并得到了极大的发展。电动车以电力驱动，行驶时无排放(或低排放)噪声低，能量转化效率比内燃机汽车高得多。同时电动汽车还具有结构简单(可以直接利用电子技术实现传动、显示和控制)、运行费用低等优点安全性也优于内燃机汽车。电动车的发明可以追溯到1834年，距今已有一百多年历史。在其开发应用过程中曾经于19世纪末在欧美等地区达到一个高潮但后来由于内燃机汽车有了突破性进展，而电动车始终没有解决电池的比容量、功率及寿命等方面的问题因此电动车的性能远不及内燃机汽车，最后让内燃机汽车垄断市场。进入本世纪80年代后节能与环保问题成为世界各国所关注的主要社会问题电动车项目已经成为许多国家和各十大汽车公司的重要发展项目，电动车的研究进入了一个新的发展时期。新一代电动车是一种综合性的高科技产品其关键技术包括高度可靠的动力驱动系统、电子技术、新型轻质材料、电池技术、整车优化设计与匹配的系统集成技术等，由于受到每一种单元技术的制约以及人们对这种新生事物的重视程度不够的影响尽管研制电动车的意义重大，项目开展也经历了数十年，但现在世界上真正能上路行车的电动车还是寥寥无几。目前，电动车存在的主要问题在于价格、续驶里程、动力性能等方面，而这些问题都是与电源技术密切相关的。如燃油汽车一次加油行驶距离可达500 km左右，而电动汽车一次充电行驶距离一般不会超过200 km。因此，电动车实用化的难点仍然在于电源技术特别是电池(化学电源)技术。电动车用动力蓄电池与一般启动用蓄电池不同，它是较长时间的中等电流持续放电为主间断大电流放电(用于启动、加速或爬坡)。电动车对电池的基本要求可以归纳为下几点：(1) 高能量密度(高质量比能量、高体积比能量)；(2) 高功率密度(高质量比功率、高体积比功率)；(3) 较长的循环寿命(充放电循环次数、工作年数多)；(4) 较好的充放电性能(快速充放电性能和抗过充、过放能力好)；(5) 较好电池一致性；(6) 价格较低；(7) 使用维护方便；其它性能较好，如安全性能(发生交通事故时的安全性)较好无环境污染问题(电池生产、使用、报废回收的过程中不能对环境产生不良影响)等等。 因此根据前言提到的电动车对电池的几点基本要求可以看出，技术成熟的铅酸电池、金属氢化物镍电池、镉镍电池或锂离子电池等已明显不能适应新一代电动车的要求。究其原因，可以看出虽然其续驶里程已基本能满足市区交通的要求，技术已经逐渐成熟并开始商品化但尚不能得到大规模地应用。主要的制约因素在于电池本身。首先，有限的贮能不能满足长距离行驶的需要；其次，电池充电时间较长；再次，社会缺乏配套的充电基础设备使用不便；还有由于生产、销售量不大，甚至还可能造成二次污染。所以不能形成规模效应，使得电动汽车造价较高。虽然各家汽车制造厂商，用了各种补救措施，如混合动力车等，混合动力车虽然续驶里程长但仍不能做到零排放。因此一些汽车制造厂商致力于第三类电动车 燃料电池电动车的开发研制。燃料电池和普通的化学电源有很大不同，它实际是一个电化学反应器：燃料不断输入，电能不断输出其副产物一般是无害的水或再加上二氧化碳。它没有运动的机械部件，工作时很安静；它没有原理上的热机效率的理论限制，实际效率可达50-70远高于内燃机固此被公认为21世纪的理想的新型能源 。1.2 发展历史燃料电池（ ）起源于年发现燃料电池原理，至于真正的实用化，则要追溯到上世纪六十年代，当吋时实际应用在航天及太空上。并于上世纪八十年代起在环保、节能等全球议题下，美国、日本、加拿大、韩国及西欧各国等多达数百家公司及研究机构积极投入，开始进入民用市场的研究开发，到了上世纪末几乎每个月都有新专利产生，而目前已几乎可以说没有不可克服的技术障碍，至于在商业上，目前的主要应用课题之一是成本过高，预期未来在关键材料与组件技术不断改进及量产技术成熟后，成本将迅速下降而达到商业化之目的。1.3 特点 燃料电池的特点为高效率、低噪音、低污染等，其将燃料中的化学能“直接”转换成电能的作功原理，不同于一般的发电机将化学能（或辐射能）转换成热能之后，再转换成动能推动发电机产生电力等需要经过多重的能量转换，因此转换效率上限不受“卡诺循环（ ）”的限制，所以可以很高。燃料电池若依操作温度区分，可大分类为低温燃料电池（160220）、中温燃料电池（200750）及高温燃料电池（7501000）三大种类。一般而言，燃料电池的操作温度不同，其所使用的燃料、触媒及氧化剂也不同。2 燃料电池的工作原理2.1 燃料电池的工作原理图2.1 燃料电池的工作原理燃料电池的基本原理如图2.1所示，它的基本原件是二个电极夹着一层高分子薄膜作为电解质。阴阳两极，除碳粉外也包含白金粉末，便于加快催化氧化反映。具体的过程如下：2.1.1 阳极氢分子气体输入被制成多孔结构的阳极板，经过质传到达阴极后，在催化下分解反应：H22H+2e-电子由阳极导向外接电路，形成电流。而氢离子也由阳极端，透过可导离子性质（电子絕緣体）的高分子薄膜电解质，抵达阴极。2.1.2 阴极空气输入阴极，氧气分子质传到阴极，与电子及氢离子起电化学反应，而产生水及1.229伏特的电压。反应如下：O2+4H+4e-2H2O2.2 燃料电池的基本组成 燃料电池的主要构成组件为：电极（）、电解质隔膜（ ）与集电器（ o）等。2.2.1 电极燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与还原剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。电极主要可分为两部分，其一为阳极（），另一为阴极（），厚度一般为；其结构与一般电池之平板电极不同之处，在于燃料电池的电极为多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也是燃料电池当初所以能从理论研究阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。目前高温燃料电池之电极主要是以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池（简称）的（简称）及熔融碳酸盐燃料电池（简称）的氧化镍电极等，而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑一薄层触媒材料而构成，例如磷酸燃料电池（简称）与质子交换膜燃料电池（简称）的白金电极等。2.2.2 电解质隔膜电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十毫米至数百毫米；至于材质，目前主要朝两个发展方向，其一是先以石棉（）膜、碳化硅膜、铝酸锂（）膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内，另一则是采用全氟磺酸树脂（例如）及（例如）。2.2.3 集电器集电器又称作双极板（ ），具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。2.3 燃料电池的分类 燃料电池主要分为以下几种：2.3.1 质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel CellsPEMFC)该电池的电解质为离子交换膜，薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂（如白金），其两侧分别供应氢气及氧气。由于PEM燃料电池的唯一液体是水，因此腐蚀问题很小，且操作温度介于80100之间，安全上的顾虑较低；其缺点是，作为催化剂的白金价格昂贵。PEMFC是轻型汽车和家庭应用的理想电力能源，它可以替代充电电池。2.3.2 碱性燃料电池(AlkalineFuelCellsAFC)碱性燃料电池的设计与质子交换膜燃料电池的设计基本相似，但其电解质为稳定的氢氧化钾基质。操作时所需温度并不高，转换效率好，可使用的催化剂种类多且价格便宜，例如银、镍等。但是，在最近各国燃料电池开发中，却无法成为主要开发对象，其原因在于电解质必须是液态，燃料也必须是高纯度的氢才可以。目前，这种电池对于商业化应用来说过于昂贵，其主要为空间研究服务，包括为航天飞机提供动力和饮用水。2.3.3 磷酸型燃料电池(Phosphoric Acid Fuel CellsPAFC)因其使用的电解质为100浓度的磷酸而得名。操作温度大约在150220之间，因温度高所以废热可回收再利用。其催化剂为白金，因此，同样面临白金价格昂贵的问题。到目前为止，该燃料电池大都使用在大型发电机组上，而且已商业化生产，但是，成本偏高是其未能迅速普及的主要原因。2.3.4 熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate FuelCellsMCFC)其电解质为碳酸锂或碳酸钾等碱性碳酸盐。在电极方面，无论是燃料电极还是空气电极，都使用具有透气性的多孔质镍。操作温度约为600700，因温度相当高，致使在常温下呈现白色固体状的碳酸盐熔解为透明液体。此型燃料电池，不需要贵金属当催化剂。因为操作温度高，废热可回收再利用，其发电效率高达7580，适用于中央集中型发电厂，目前在日本和意大利已有应用。2.3.5 固态氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel CellsSOFC)其电解质为氧化锆，因含有少量的氧化钙与氧化钇，稳定度较高，不需要催化剂。一般而言，此种燃料电池操作温度约为1000，废热可回收再利用。固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于使用固态的电解质，这种电池比熔融碳酸盐燃料电池更稳定。其效率约为60左右，可供工业界用来发电和取暖，同时也具有为车辆提供备用动力的潜力。缺点是构建该型电池的耐高温材料价格昂贵。2.3.6 直接甲醇燃料电池（Direct Methanol FuelCellsDMFC）直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，然后如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢再与氧反应。这种电池的工作温度为120，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约在40左右。其使用的技术仍处于研发阶段，但已成功地显示出可以用作移动电话和笔记本电脑的电源。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。2.3.7 再生型燃料电池（Regenerative FuelCellsRFC） 再生型燃料电池的概念相对较新，但全球已有许多研究小组正在从事这方面的工作。这种电池构建了一个封闭的系统，不需要外部生成氢，而是将燃料电池中生成的水送回到以太阳能为动力的电解池中分解成氢和氧，然后将其送回到燃料电池。目前，这种电池的商业化开发仍有许多问题尚待解决，例如成本，太阳能利用的稳定性等。美国航空航天局（NASA）正在致力于这种电池的研究。2.3.8 锌空燃料电池(Zincair Fuel CellsZAFC)利用锌和空气在电解质中的化学反应产生电。锌空燃料电池的最大好处是能量高。与其他燃料电池相比，同样的重量，锌空电池可以运行更长的时间。另外，地球上丰富的锌资源使锌空电池的原材料很便宜。它可用于电动汽车、消费电子和军事领域，前景广阔。目前MetallicPower和PowerZinc公司正在致力于锌空燃料电池的研究和商业化。2.3.9 质子陶瓷燃料电池(Protonic Ceramic FuelCellsPCFC)这种新型燃料电池的机理是：在高温下陶瓷电解材料具有很高的质子导电率。Protonetics InternationalInc.正在致力于这种电池的研究。2.4 质子交换膜燃料电池 质子交换膜燃料电池(PEMFC)是以全氟磺酸质子交换膜作为电解质，简化了水和电解质管理。PEMFC具有高功率密度、高能量转换效率、低温启动、环境友好等优点，所以理所当然的成为了新一代电动汽车的电能来源，作为对于本篇论文的需要，在这里将详细的介绍质子交换膜燃料电池。2.4.1质子交换膜燃料电池的发展历史质子交换膜燃料电池的发展历史起源于20世纪60年代初美国的GE公司为NASA研制的空间电源采用的是1 kW的PEMFC作为双子星座宇宙飞船的辅助电源，尽管PEMtE的性能表现良好，但是由于当时该项技术处于起步阶段，仍存在许多问题，如功率密度较低(50roWera2)；聚苯乙烯磺酸膜的稳定性较差，寿命仅为50O h左右；铂催化剂用量太高等因此在以后的Apollo计划等空问应用中，NASA选用了当时技术比较成熟的碱性燃料电池，使得PEMFC技术的研究开发工作一度处于低谷。1962年美国杜邦公司开发出新型性能优良的全氟磺酸膜，即Nafim系列产品，1965年GE公司将其用于PEMFC，使电池寿命大幅度延长。但是由于铂催化剂用量太高和Nation 膜的价格昂贵以及电池必须采用纯氧气作为氧化剂，使得PEMFC的开发长时间是以军用为目的，限制了该项技术的广泛应用。进入20世纪80年代以后，以军事应用为目的的研制与开发，使得PEMFC技术取得了长足的发展。以美国、加拿大和德国为首的发达国家纷纷投入巨资开展PEMFC技术的研究开发工作。使得PEMFC技术日趋成熟。20世纪90年代初期，特别是近几年，随着人们对日趋严重的环境污染问题认识加深，PEMFc技术的开发逐渐由军用转向民用，被认为是第四代发电技术和汽车内燃机的最有希望的替代者。2.4.2 质子交换膜质子交换膜是PEMFC的核心部件。作为一种厚度仅为50180um 的极薄膜片，质子交换膜是电池电解质和电极活性物质(催化剂)的基底。其主要功能是在一定的温度和湿度条件下，具有选择透过性，即只容许氢离子或质子（质子是一种带 1.6 10-19 库仑(C)正电荷的次原子粒子，质量是938百万电子伏特(MeV)，即1.6726231 10-27 kg，大约是电子质量的1836.5倍。质子属于重子类，由两个顶夸克和一个底夸克通过胶子在强相互作用下构成。）透过，而不容许氢分子及其它离子透过。同时具有适度的含水率，对电池工作过程中的氧化、还原和水解反应具有稳定性。质子交换膜具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结合等性能目前在PEMFC研制开发中应用最多的质子交换膜是美国杜邦(Du Pont)公司的全氟磺酸型膜(Nation)。另外 美国的Dow化学公司、日本的Asahi公司，以及加拿大Ballard power Systems公司也公布研制出新的质子交换膜。但目前并未公开投放市场。当前市场质子交换膜的价格还相当昂贵，美国杜邦公司生产的全氟磺酸型膜(Nation)的价格是800美元m2。加拿大BaUard Power Systems公司宣布其研制的质子交换膜的目标价格是l10l50加元m2。但是，何时能达到这一目标还是个未知数。质子交换膜的价格是制约PEM 燃料电池发展和推广应用的重大障碍之一。2.4.3 催化剂PEMFC阳极反应为氢的氧化反应，阴极为氧的还原反应。为了加快电化学反应的速度，阴极和阳极的气体扩散电极上都占有一定量的催化剂。目前主要采用贵金属Pt作为电催化剂，它对于两个电极反应均具有催化活性，而且可以长期稳定工作。由于Pt的价格昂贵、资源匮乏，使得PEMFC的成本居高不下，限制了其大规模应用。2.4.4 质子交换膜燃料电池的组成1、 7底板 2、6密封衬片 3、5电流收集片 4 膜电机组件图2.2质子交换膜燃料的组成3 燃料电池在汽车上的应用3.1 燃料电池电池堆在电动汽车上的基本结构图3.1燃料电池堆在电动汽车上的基本结构3.2 燃料电池控制系统如图3.1所见，独立的燃料电池堆是不能应用于汽车的，它必须和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水热管理系统和一个能控制各种开关和泵的控制系统组成燃料电池发动机才对外输出功率，燃料供给和循环系统在提供燃料的同时回收阳极尾气中未反应的燃料。目前最成熟的技术是以纯氢为燃料，系统结构相对简单，仅由氢源、减压阀和循环回路组成。燃料电池的功率密度随氧气压力的增大而升高。如果用常压空气作为氧化荆，则会造成PEMFC尺寸大、制造成本高。所以目前主要采用提高空气供给压力(现在一般是3atm)的方法，但空气压缩机的寄生功率又降低了PEMFC的功率输出。电池内部的水热管理是燃料电池的难点和重点，是决定电池性艟的关键。如图所示，产物水首先通过燃料电池堆的反应区冷却电堆本身，在冷却过程中水蒸气被加热至燃料电池的工作温度。被加热的水再与反应气体接触，起到增湿的效果。除了在增湿过程中反应气体带走部分热量外，还需一个水空气热交换器，将水中多余的热量带走，从而防止系统热量积累，造成电池温度过高。控制系统则根据负载对电池功率的要求，或随电池工作条件(压力、温度、电压等)的变化，对反应气体的流量 压力 水热循环系统的水流速等参数进行控制，保证电池正常有效的运行。该控制系统包括多种功能不同的阀件、传感器和水、热、气调节控制装置，及其相应的管路和控制软件。随着电堆技术的日趋成熟，控制系统将成为决定燃料电池发动机性能和制造成本的瓶颈。必须对这些零部件进行系统的耐久性和安全性研究，并且制定适合车辆应用的统一标准。为此，Polarongroup提出一系列具有商业价值的PEMFc控制系统部件。针对燃料电池发动机的主要研究热点还包括：使用轻质材料，提高燃料电池发动机的比功率；提高PEMFC发动机快速冷启动能力；研究具有负荷跟随能力的燃料处理器；把二次电池，超级电容或氢气存储一起考虑进行系统优化设计，提高系统的效率和调峰能力，并可回收制动能量等。3.3 DC/DC变换器由于燃料电池在能量转换过程及结构上的特性所确定，当其输出电流变化时，其输出电压波动较大。在燃料电池加载的起始阶段，其电压Ufc下降较快在起始阶段之后，当负载电流增加时，其电压下降率仍比普通电池大得多，因而燃料电池的输出特性相对较软此外，燃料电池的特点及结构决定了若其输出功率波动较大，将会导致其效率下降与传统汽车相似，燃料电池汽车应具备良好的机动性，以应对不同工况，例如：上坡、下坡、超车加速、转弯减速、红绿灯启或停、面对障碍物的紧急制动，等等为了满足机动性的要求，驱动燃料电池汽车的功率应具有较大的波动范围，这与燃料电池的输出特性偏软且其输出功率不宜频繁波动是相矛盾的。因此基于以上的分析，若以燃料电池作为直接驱动电源，则因其输出特性偏软，不能满足高效驱动车辆的需求为此必须在燃料电池之后接入输出特性较硬的DC/DC变换器，即由燃料电池和DC/DC变换器组成一个统一电源燃料电池汽车电源，由其负责对整车供电。为了覆盖功率波动范围并提高峰值功率，以改善输出功率的瞬态特性，在燃料电池汽车电源中可引入超级电容和辅助电池超级电容是区别于普通电容的一种新型电容，其容量可高达数千法拉，且容量密度较高，从而既可保持电源输出稳定，又能使燃料电池始终保持较高的能源转换效率，并容许在较短时间内以大电流对其进行充放电为了进一步提高燃料电池汽车的机动性和可靠性，还可引入辅助电池综上所述，可给出如图3.2所示的燃料电池汽车电源结构框图，图中箭头表示能量流动的方向图3.2燃料电池汽车电源结构图所以对于燃料电池输出特性偏软，而燃料电池汽车需要的驱动功率会有较大的波动，因此一个转换效率高、输出特性硬、结构简单从而质量较轻的DCDC变换器也将是燃料电池汽车能源系统的关键部件之一。3.4 辅助电池质子交换膜燃料电池应用于汽车上时，由于前面提到的它在启动性和响应性等上面的问题，必须有一套辅助的电源机构为它服务。除了DC/DC变换器和超级电容外，还需要一个辅助电源来支持。 目前，最有希望成为PEMFC汽车的辅助电池的有氢镍电池和锂离子电池。3.5 驱动电机燃料电池电动汽车的主要电机有以下几种：3.5.1 永磁电机由于永磁材料、电力电子学和控制技术的发展，使永磁电机的设计、制造和应用方面取得显著的进步。DHowe等指出，永磁电机因不需要用电流励磁就能建立磁场，故可提高效率，在同步电机中也省去滑环和电刷，提高可靠性。由于节省了放励磁绕组这部分的空间，因此可使电机尺寸减小。永磁材料的使用可使电机结构出现许多新的品种，例如盘式电机，外转子电机，这种电机动态特性好，可以做成高速电机。汽车中使用的电机以永磁电机为主，今后的发展有两个倾向：一是进一步扩大应用面，例如油门和气门的控制；二是无刷化，即无刷直流电机和无刷交流伺服电机。3.5.2 无刷直流电动机无刷直流电动机一般均采用永磁体励磁，没有电刷和换向器的接触，故不需要维护，可靠性好，寿命长，也没有由于火花引起的电磁波干扰问题，近年来发展很快。通常无刷直流电机的气隙磁通密度分布为梯形，因此需要其定子相电流应为方波 保证其转矩的恒定。但不可能绝对做到方波，因此要采用许多措施。有不少学者都针对无刷直流电机的波动问题提出各种措施。无刷直流电动机一般需要转子位置传感器，采用最多的是霍耳传感器。传感器的存在使电机的结构复杂，造价提高，也降低了可靠性，因此有不少学者提出无位置传感器的新结构，主要思路是利用反电势换向 由于反电势是正比于转速的，因此在起动瞬间和低速时不好利用它，一般采用步进电动机的驱动线路解决起动问题。另一种方法是从与三极管并联的续流二极管的开关状态来判断转子位置。新的发展趋势是采用定子电流波形从中找出转子位置的信号。3.5.3 开关磁阻电机开关磁阻电机由于结构简单、调速范围广、调速特性优良得到电工技术界的重视，研究工作在以下几方面进行。a）变磁阻电机的优化设计定、转子极弧长对工作特性的影响。分析了确定极弧长度的原则，分析了电机静态特性随弧长的变化、影响、给出了合理弧长的范围。对变磁阻电机的铁损进行精确的估算。作者采用了非线性的电磁场方法，预测了磁通在电机不同部位的非正弦分布，采用富氏分析，求出磁密中交流分量的波形，计算了磁滞、涡流损耗。指出大部份的铁损主要在定子铁心中，为减少铁损，必须减少磁密变化的幅值。由于转矩脉动是开关磁阻电机噪声源之一，有的作者采用非线性方法对电机特性进行了计算揭示电机结构参数对转矩脉动的影响分析了转子外径、铁心长度，气隙长度，线圈匝数，定、转子极弧尺寸等，对转矩脉动的影响为指导设计提供了依据。b) 新型开关磁阻电机主要表现在有两篇文章同时对双馈开关电机的讨论上，特别有特色。文章指出，开关磁阻电机简单可靠，但采用定子上只单一绕组励磁，使得除产生转矩分量电流外，还要支持激磁电流，使开关磁阻电机的变流装置容量增大。同时有功与无功不能分别控制为使电机进入高度饱和状态，只得减小气隙，这又易引起噪声及转矩脉动问题近年来绕线式异步电机双馈调速系统引起人们兴趣，因为它能大大减少变流器容量(变流器在转子侧，只需处理滑差功率SP )但它要求采用滑环和电刷，使可靠性大为降低，叉增加了维护费用。如果将开关磁阻电机定子采用两套绕组供电，一套由电网，一套由变流装置，则改变变流器供电频率及相序，就可使变磁阻电机在同步速上、下可调其功率因数可像电励磁同步电机一样可控变流器容量又小。这样，它具有双馈电机长处，又无刷故又称无刷双馈调速电机，是开关磁阻电机的最新发展。开关磁阻电机一些困难的研究焦点，如三维有限元分析噪声的分析与控制系统的整体仿真及其系统动态模型建立和力矩的准确控制等，依然有待广大研究者的进一步努力。3.5.4 特种电机特种电机的范围很广，如直线电机、超声波电机等。其中超声电机(ultrasonic motor，缩写USM)是利用压电材料的逆压电效应，使弹性体(定子)在超声频段产生微观机械振动(振动频率在20 kHz以上)，通过定子和转子(或动子)之间的摩擦作用，将定子的微观振动转换成转子(或动子)的宏观的单方向转动(或直线运动)。它打破了由电磁效应获得转速和转矩的传统电机的概念。而Feng Guihog教授等人提出一种新的调速电机，其结构类似开关磁阻电机。其定子磁势是步进式的，定子电流是直流的，因此这种电动机叫做SDM这种电机结构简单，控制和驱动线路使用的元件数很少，很有发展前景。以上的四种电机都将可能成为未来燃料电池电动汽车的驱动电机。目前看来，无刷直流电机的可能性最大，主要因为直流无刷电机可靠性好，寿命长，也没有由于火花引起的电磁波干扰问题。况且其技术较为成熟，量产化后成本也可以降低，所以市场化应该没有什么大的问题，同时也可以降低燃料电池汽车的价格。而特种电机这在未来有很大的发展潜力，主要因为超声电机等特种电机与传统电机相比，具有以下特点：结构简单、紧凑、转矩质量比大(是传统电机的3 10倍)；低速大扭矩，无需齿轮减速机构，可实现直接驱动；响应快(毫秒级)；断电自锁；在闭环条件下速度和位置控制性好，分辨率高；不产生磁场，不受外界磁场干扰；容易做成直线型超声电机；形状可以多样化(圆的、方的、空心的、杆状的)，等等。因此，超声电机等特种电机技术在20世纪末期得到迅速发展，并在许多领域得到成功的应用。3.6燃料电池汽车的轻量化设计当前随着环保，节能等要求不断的严峻，汽车轻量化已经是汽车界的主攻方向。而燃料电池汽车更要求在汽车设计上做到尽可能的轻量化。主要原因在于以下几点：a) 燃料电池汽车的续航里程不够长，所以轻量化可以帮助增加行驶里程。目前燃料电池汽车的价格还是太高，所以轻量化可以帮助降低高额的成本。b) 轻量化的设计可以促进新材料的开发，结构设计上的优化等新技术。所以，汽车的轻量化设计是势在必行的。汽车轻量化主要考虑的方向有两方面，一种是使用新材料制造车身或在原有的基础上增加新材料的比重。另一种则是在结构设计上优化或彻底采用新的结构方面。在采用新的材料方面，世界各大汽车制造厂商纷纷将目光投向了高强度钢、铝合金、镁合金、玻璃纤维增强塑料等新型材料上。现在最多应用的是铝合金和高强度钢材（2005年为11.5%和56.7%），同时还有逐年上升的趋势。在结构上，美国通用公司采用了新型的管材结构来制造车架，不但减轻了车身的重量还增加了车架的强度。而德国大众公司的奥迪车型更是采用了蜂窝铝结构设计，使得铝合金材料在车身上得到了极大的利用，同时蜂窝铝结构使得铝合金的强度是毫不低于同结构的钢制材料。作为21世纪的新型汽车，燃料电池汽车必定会采用上面所说的材料和结构来制造，以便于做到上面所说的几点原因。3.7燃料电池汽车氢燃料的制备、储存和运输PEMFC的燃料来源是燃料电池车辆(FCV)实用化过程中一个不容忽视的问题。常用的储氢方法有：气态压缩储氢 液态储氢金属氢化物储氢；其它如碳纳米管和碳晶须等储氢材料技术还处在实验室研究阶段。高压气罐储氢虽然存在储氢密度小、氢气基础设施建设费用昂贵，难以实现产业化等问题，但目前还是燃料电池车常用的最简便储氢方法。如果以车载碳氢化台物重整制取氢燃料，则结构要相对复杂，其中至少要包括一个燃料处理器，对燃料或燃料与水的混合物进行重整，使之转化为富含氢气的混合气体(H2、CO 、H：O、少量CO)。由于催化剂Pt易被CO 毒化，还要采用相应措施如水煤气转化反应器，选择氧化反应器，或氢气分离膜等技术来除去CO。采用具有燃料适应性的车载重整技术可以利用现有的常规燃料和替代燃料基础设施 以甲醇为燃料的PEMFC开发是近几年的研究热点，它又分为甲醇重整PEMF和直接甲醇燃料电池(DMFc)甲醇和汽油最有可能成为FCV市场化初期和中期采用的车载燃料，从而其车载重整技术也就成为发达国家竞相研究开发的热点。虽然常温下为液态的甲醇可以方便燃料的存储运输和添加，且较易实现车载重整。但甲醇有毒，对环境和人身安全影响很大；汽油车载重整主要是利用现有的基础设施，但其重整所需温度高，技术和装置过于复杂，而且其从油井到车轮的效率还不及使用汽油机的混合动力车(HEV)：另外，燃料电池易被硫所毒化，汽油除硫的代价也相当大。汽油车载重整发展前景并不明朗。目前有几种开发出的新的储氢方式，一种是欧洲ECD Ovonic公司负责开发储氢系统，据该公司Benjamin Chao博士介绍，该金属氢化物系统的技术核心在于能迅速吸收氢气的晶粉状金属合金。当金属氢化物吸收氢气时，系统将释放出热量。相反地，当它们吸收热量时，就释放出可作为汽车能源的氢气。这一享有专利的固态氢储存技术，将高含量、高纯度氢储存在低气压状态下，具有高度安全性。并且，该系统可反复使用，即使经过几百次的充氢、放氢的循环，对其功能也几乎没有影响。ECD Ovonic的低压固态储氢系统在具体的实车测试中被证明是高效而可行的。在一项将丰田Prius混合动力车（汽油发动机+蓄电池）改装成以氢为动力的混合动力车的示范项目中， ECD Ovonic的储氢系统被采用。该储氢系统的主要组成部分为储氢罐和热交换系统。一个用轻质碳纤维包卷形成的储氢罐，其内部的容积为50L，所含的金属氢化物可储存约3kg的氢气。整合的热交换系统，在充氢气过程中，需要将设在充氢站中的一个冷却系统连接到储氢容器上，以便达到散热的功能。当汽车行驶时，发动机产生的热量经由其冷却系统传到储氢容器内，其热量足够将氢从储氢合金材料中释放出来，通过导管传入发动机里燃烧。另一种是三菱人造丝公司开发的碳纤维高压氢气瓶。氢气的制备才是决定了燃料电池汽车是21世纪新型汽车的根本。因为氢资源在地球上储量及其丰富，同时燃料电池工作时排出的废弃物也是水，而水又能通过电解产生氢。所以可以说氢资源是使之不尽、用之不竭的。而各国可以通过适合本国的方式来制氢。电解，化学提炼都可以制取氢气。从电解方面看，可以通过使用核能或太阳能风能等发电厂发电来制取氢气，而化学提炼方面，这可从甲醇、乙醇中提取。尤其是乙醇，乙醇是一种生物能源，它可以通过甘蔗等纤维植物来制取，同时废弃物有可以作为再生资源来使用。总的来说，氢气制备方面的问题比之氢气储存方面的问题好解决得多。3.8 国外燃料电池汽车的研究情况 目前世界上有许多工业企业、研究机构、汽车制造商和一些政府机构参与了汽车燃料电池系统的研究，而他们的研究情况和结果如下表3.8所示。表3.1 工业企业的主要研究活动Arther D. Litte公司 设计和建造一种能够处理汽油以及替代燃料乙醇的50Kw燃料处理器，同时将研制和试验一种专有的催化技术的50Kw高级优先氧化装置。Allied Signal公司 正在研制一个50Kw的PEM燃料电池系统，性能为12.5Kw（巡航状态下）燃料效率为40%，功率密度为0.35Kw/L，批量生产时价格为100美元/Kw。德尔福汽车系统公司 正在与宝马公司研制一种新型的汽车燃料电池。能量伙伴公司 正在发展一种50Kw低成本的高级PEM燃料电池堆桟和系统。国际燃料电池公司 曾经提供给福特公司一种50Kw/250V的1系统，功率密度为0.55Kw/L，在标定功率下效率为50%。3M公司 正在研究新型5膜片电极总成用于PEM燃料电池。表3.2 研究机构的主要活动Argonne国家实验室（ANL） 正在研制一种的部分氧化的重整器来转化汽油以及替代燃料（甲醇、乙醇、天然气和其它碳氢化合物）为含氢气体。气体技术研究所 正在研制一种低成本的铸模的分离板，它能显著降低PEM燃料电池堆桟的成本。Lawrence Berkeley国家实验 正在研究一种正极催化剂。新型催化剂将要求提供浓度为0.1%的一氧化碳允许量。表3.3 政府机构的主要研究活动美国能源部 对运输用途的燃料电池的研制给予重要的经济资助。其十年计划中许多工作是集中研究汽车PEM燃料电池的关键技术性能。欧洲委员会 在1993年通过JOULE计划开始资助运输用途的燃料电池技术的研究。目的计包括金属膜片、PEM燃料电池和直接甲醇燃料电池高级堆桟研制。日本国际贸易 资助燃料电池研究与开发计划已经多年。PME燃料电池技术的研究开发经费占和工业部 总燃料电池研究经费的90%表3.4 汽车制造商的主要研究活动宝马（BMW） 宝马为EXPO2000国际博览会的清洁能量项目投放了一批采用氢气的PEM燃料电池汽车。目前宝马的燃料电池汽车需要2倍原车油箱质量和4-5倍的汽油油箱的容积用于液体氢气储存。福特(Ford) 1998年曾展示了P2000燃料电池汽车，该车使用了DBB生产的燃料电池发动机功率为60Kw，最高车速为144.8km/h，续驶里程为160.9km，原地起步加速到96.9km/h时间为14s。通用（GM） 在1998年展示了一辆基于EV1电动轿车混合动力的燃料电池概念车，甲醇重整器放在轿车后