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【新能源】乙醇为燃料?SOFC?电动车增程器(发动机)?

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发布:liuxianglong 作者: 发动机技术来源: 发动机技术
PostTime:28-6-2016 21:55
日产汽车展示了其试制出的SOFC(固体氧化物燃料电池)。该电池的目标市场将是用于为EV(电动汽车)充电。

以下为文章全文:(本站微信公共账号:cartech8)


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日产汽车展示了其试制出的SOFC(固体氧化物燃料电池)。该电池的目标市场将是用于为EV(电动汽车)充电。
  因为SOFC的效率高但不擅长起动,因此目前普遍认为它只适合热电联产而不适合汽车,汽车燃料电池必然选择PEMFC(质子交换膜燃料电池)。如果
  日产的乙醇SOFC汽车问世!燃料电池的观念和格局将彻底改观。
  SOFC的使用温度高,不能频发启动、停止,因此乙醇SOFC不应该是主动力,
  可成为动力电池EV的增程器。燃料电池和动力电池相互补充。
  当电池处于需要充电的状态时,燃料电池可以会慢慢为汽车电池充电,且可一口气“充满”,保证燃料电池永远zz处于最小限度起动和停止。我们的理解,SOFC起动需要15分左右,不过可以根据电池预测确定起动时间。并且10kW的SOFC增程器能够增加续航300公里。
  燃料采用的是不用担心基础设施的乙醇?。SOFC能够内部重整,因此大多情况下不使用其他重整器。不过,与必须变成纯H2的PEMFC不同,可以用简单的重整器。重整器的效率(生成气体的发热量/原料气体的发热量)为103%。由于氢会通过水蒸气重整增加的水进入,因此效率超过100%。与热电联产不同,不用排热,将燃料电池产生的高温水蒸气用于重整,因此热量损失少。
  SOFC本身的效率为65~70%。包括其他损失在内,充电器的效率为50%。如果EV的车辆效率为80%,相乘得到的综合效率为40%。以2015年的“JC08”燃效进行比较,燃效是1t汽油车的1.8倍,是2t汽油车的2.5倍。远远高于PEMFC。由于不擅长起动,用于长时间行驶的商用车更有希望和合理。
  日产将YSZ(氧化钇稳定二氧化锆)的电解质设计成了环形大型单元。采用环形时,大多从内侧供应燃料排出外侧,而日产通过在直径方向放置隔板,使从内侧供应的燃料折回,返回到稍靠外的位置后排出。有个套管的分流器贯穿于环形的中央,向其内侧供应燃料,从外侧排出燃料。空气极侧沿着单元面直流。
  日产试制出了层叠5层单元的电池组,采用H2燃料,总功率为54W。换算成功率密度,相当于0.37kW/L。室温下燃烧60分钟便达到600℃,即使以1kW/L重负荷运行30分钟也不会损坏。
  SOFC家用热电联产已成功了?
  家用燃料电池“ENE-FARM”,分成PEFC(固体高分子型燃料电池)和SOFC两种。PEFC的电解质为塑料,SOFC的则为陶瓷。就技术水平而言,SOFC远高于PEFC。但是,鉴于PEFC刚在市场上推出,人们自然认为SOFC时代的到来为时尚早。而现如今,SOFC的实现却如此之快,PEFC的位置危在旦夕。
  SOFC的效率高于PEFC。额定发电效率也高达55%,比PEFC版高10%。由于其工作温度也比较高,因此反应无需昂贵的催化剂。家用燃料电池采用的是电能和热能并用的“热电联产”方式,配备了储存热水的水罐,其热水温度为75℃,比PEFC版高10℃。因此,水罐的体积可以相应缩小。除水罐外,蓄热水单元的体积也缩小了36%。
  SOFC款的发电单元比PEFC款小46%。“结构可以简化?”,并未做详细介绍,估计两者之间至少是在重整问题上产生了差异。家用燃料电池的原理是对城市煤气进行重整生成氢气,然后将氢气作为燃料。对于PEFC,重整过程必须完美无缺(钯膜纯化氢)。否则便会生成一氧化碳。而一氧化碳会损伤催化剂,导致PEFC“一氧化碳中毒”。
  SOFC没有如此高的要求。SOFC不使用会被一氧化碳损伤的催化剂,不仅没有上述问题,反而能够使用一氧化碳发电。SOFC真是太牛了。
  与PEFC相比,SOFC效率高10%,蓄热水单元小36%,发电单元小46%,但价格相等。这样的话,各位一定会选择SOFC吧。日产宣布SOFC汽车将投放市场,猜想日本SOFC热电联产已顺利投产,快速实现普及,家用燃料电池有可能跨过PEFC,直接进入了SOFC时代。
  燃料电池车将何去何从?
  如今的新一代汽车已经是EV(电动汽车)天下,而非燃料电池车。燃料电池车具有“价格太贵”、“氢气供应困难”等问题在开发之初就已经被提出,所以并不是燃料电池车偃旗息鼓的理由。如果硬要找个理由,也只能说是EV的势头太猛。
  但是,一旦SOFC增程器早日投入实用,燃料电池车劣势将会彻底改变
  日产一直在坚持SOFC车的研究。使用SOFC作为EV的增程发动机。增程发动机是EV中安装了自发电机的部件。作用是弥补EV持续行驶距离短的缺点。当电池即将耗尽时,发电机起动,在一段时间内以一定的负荷为电池充电,直至充满。日产的想法是把燃料电池作为发电机。SOFC的工作温度高,反应慢,不擅长突然的启动停止、提高降低负荷,但如果作为增程发动机,这个缺点就可以忽视。
  燃料电池的开发如今是家用和车用相辅相成。开发需要大笔资金。因此,电极、电解质膜、催化剂、分离器等厂商一直是以满足二者共同的需求为前提进行开发。如果SOFC在家用领域发力,自然会对车用领域起到推波助澜的作用。除了车用,再来看家用方面,大阪燃气也在研究热电联产,除了京瓷,丰田也在该公司的研究团队之中。
  再来说不好的可能。PEFC燃料电池车的时代恐怕不会出现。原因相同。正因为是以二者共同的需求为前提,那么,既然家用PEFC的时代不会到来,车用PEFC的时代自然无望。二者是一脉相承。
  当新一代和更新一代的技术同时存在时,如果两者的问世或普及的时间过于接近,很可能会影响新一代技术的普及。原因是回收投资的时间过短。对于开发PEFC的人们而言,日产乙醇SOFC汽车恐怕是个重磅炸弹。
  乙醇SOFC电动车,车上不需要高压储氢罐,途中不需要充电桩更不需要加氢站
  
  日产汽车公司2016年6月14日发布了新技术“e-Bio Fuel-Cell”,通过对生物乙醇进行重整制备氢气,利用燃料电池发电并驱动汽车。该公司已将这项技术配备到车辆上,确认车辆可以正常行驶。该公司希望在2020年之前实现产品化。
  这项技术利用重整器器,将车辆油箱中加入的生物乙醇(或乙醇混合水)转化为氢气,使氢气在固体氧化物燃料电池(SOFC)内与氧气发生反应来发电。生产的电力会储存在电池中,按照需要从电池向驱动马达供电。配备于车辆时,该燃料电池系统类似电动汽车的增程发动机。
  
  SOFC的特点是发电效率高,据日产介绍,上述系统的发电效率约为60%。预计续航里程可达到600km,与汽油车相当。因为是作为增程发动机使用,所以无需配合行驶状态,只要以一定的比例使SOFC工作即可,可减少导致效率降低的负载波动。丰田和本田为燃料电池车(FCV)采用的聚合物电解质燃料电池(PEFC)的发电效率一般在40~50%。
  
  单就燃料电池而言,采用SOFC容易降低成本。这是因为SOFC的工作温度高,氢离子(质子)和氧离子比较活跃,可以减少燃料电池中的贵金属催化剂的使用量。相比以高压氢为动力源的FCV,虽然需要加装改质器,但其优点在于可以使用液态燃料,无需配备昂贵的高压氢罐。
  
  但是,PEFC能在低于100℃的温度下工作,而SOFC的工作温度高达700~800℃,存在开发困难的缺点。这是因为巨大的温度变化容易导致设备劣化,系统投入运转所需的前置期较长。
  
  于是,日产将SOFC使用的部分结构件的材料从过去的陶瓷换成金属,提高了对于温度变化的耐久性。为了使SOFC能够马上发电,还设置了使燃料乙醇燃烧、以提高SOFC温度的机制。在SOFC开始工作前,汽车将使用电池,在EV模式下行驶。今后,该公司还将通过提高离子活性降低工作温度,采取提高整个燃料电池系统的隔热性、将SOFC产生的热量用于改质器和制暖等改善措施。
  
  此次开发的系统除了利用重整器制备氢气外,还会同时产生二氧化碳(CO2),所以不属于“零排放汽车(ZEV:Zero Emission Vehicle)”。但生物燃料在植物生长的过程中会吸收CO2,可以与排放的CO2相抵消。
  
  这项技术有望得到市面上流通生物乙醇的南美、印度和东南亚等地区的采用。以取代续航距离短、难以应用于较大车辆的EV系统。

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