氢能汽车发动机系统设计

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1、氢能汽车燃料电池系统设计氢能汽车氢燃 料电池系统设计班级（学号）姓名指导教师1,综述1.1 研究意 义氢能是氢的化学能， 氢在地球上主要以化合态的形式出现，是 宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的 75%，二次能源。氢 具有高挥发性、高能量，是能源载体和燃料， 同时氢在工业生产中也有广泛应用。氢能在二十一世纪有可能在世界能源舞台上成为一种举足轻重的二次能源。它是一 种极为优越的新能源，其主要优点有：燃烧热值高，每千克氢燃烧后的热量，约为汽油 的 3 倍，酒精的 3.9 倍，焦炭的 4.5 倍。 燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。 资源丰富，氢气可以由水制取，而水是地球上最为丰富的资源

2、，演绎了自然物质循环利 用、持续发展的经典过程。氢能汽车是以氢为主要能量作为移动的汽车。一般的内燃机，通常注入柴油或汽油，氢汽车则改为使用气体氢。燃料电池和电动机会取代一般的引擎，即氢燃料电池的原理是把氢输入燃料电池中，氢原子的电子被质子交换膜阻隔，通过外电路从负极传导到正极，成为电能驱动电动机 ；质子却可以通过质子交换膜与氧化合为 纯净的水雾排出。这样有效减少了其他燃油的汽 车造成的空气污染问题。用氢气作燃料有许多优点，首先是干净卫生 ，氢气燃烧后的产物是水， 不会污染环境，其次是 氢气在燃烧时比汽油的发热量高 。氢是可以取代石油的燃料，其燃烧产物是水和少量氮氧化合物，对空气污染很少。 氢气

3、可以从电解水、煤的气化中大量制取，而且不需要对汽车发动机进行大的改装，因 此氢能汽车具有广阔的应用前景。干电池、蓄电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃 料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学 发电装置。 另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关 键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作 用。燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧 (汽、柴油 ) 或储 能(蓄电池 ) 方式 最典型的传统后备电源方案 。 燃烧会释放象 COx、 NOx 、 SOx 气 体

4、和粉尘等污染物。 如上所述 ,燃料电池只会产生水和热。 如果氢是通过可再生能源产 生的(光伏电池板、风能发电等 ),整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。1.2 研究现 状在 1965 年，外国的科学家们就已设计出了能在马路上行驶的氢能汽车。我国也在 1980 年成功地造出了第一辆氢能汽车，可乘坐 12 人，贮存氢材料 90 公斤。氢能汽 车行车路远，使用的寿命长，最大的优点是不污染环境。氢内燃车和氢燃料电池车不同。氢 内燃车是传统汽油内燃机车的带小量改动的版本。 氢内燃直接燃烧氢，不使用其他燃料或产生水蒸气排出。这些车的问题是氢燃料 很1氢能汽车燃料电池系统设计快耗尽。载满氢气的油缸只

5、能行驶数英里，很快便没能量。另一方面，各色各样的方法 正在研究以减少耗用的空间，例如用液态氢或氢化物 。1807 年 Isaac de Rivas 制造 了首辆氢内燃车。可惜该设计甚不成功。宝马的氢内燃车有更多的力量，比氢燃料电池 车更快。宝马的氢汽车以三百公里每小时创下了氢汽车的最高速记录。万事达已在开发 烧氢的转子引擎。该转子引擎反覆转动，故氢从开口在引擎内的不同部分燃烧，减少突 然爆炸这个氢燃料活塞引擎的问题 。 日本武藏工业大学 1990 年在第八届世界氢能会 议上展出了一部使用液氢储罐的燃氢轿车。它由 NISSAN 车改装，使用一个容积 100L ，总重 60kg 的液氢罐，可以 1

6、00km/h 行驶，排放废气中无 CO2。 中国 研制的燃 用氢、汽油混合燃料的城市节能公共汽车正进行试验 。 其 他重要汽车生产商如通用 汽车和 DaimlerChrysler 公司，投资在较慢较弱但较有效的氢燃料电池。1960 年代后期， Roger E. Billings 制造了 燃料电池的原型 。 在燃料电池氢汽车的发展主要有三个 障碍。首先，氢的密度很低，就算燃料以液态形式储存在低温瓶或压缩气体瓶，在那些空 间能够储存的能量十分有限，而氢汽车比起其他汽车就十分受限。有些研究已经用特别 结晶体来储存氢在较高密度的环境中，而且更安全。另外一种方法是不储存氢分子，而使用氢重组器来从传统燃料

7、如甲烷、汽油和 乙醇，提取氢。很多环保分子对此想法不感兴趣，因为它依赖了化石燃料。可是，这是 有效的重组程序。使用重组过的汽油或乙醇来推动燃料电池，仍比使用内燃引擎来得有 效。其次，制造在氢汽车提供电力可靠燃料电池，耗资颇高。科学家努力研究令燃料电 池的成本尽量便宜，同时又有足够硬度以抵受撞击和震动这些汽车的基本问题。燃料电 池的设计大都脆弱，故不能在那些情况下保存。加上很多设计都需要稀有物如铂作为加 速剂，令工作更顺畅，而加速剂可能污染氢的纯净度，不利氢的提供。第三个问题是氢可作为能量的携带者而非能源。它必须从化石燃料或其他能源提取， 因此引起能量的流失（因为从其他能源到氢又回到能量的转换并

8、非百分百有效）。因为 任何能源都有缺点，转换到氢会引起关于如何产生这种能源的政治决定。最近有方法成功直接从太阳和水，透过金属的催化剂，产生了氢。这或能使从太阳 能转成氢有一个便宜、直接、清洁的途径。1.3 研究成果中国在氢能汽车研发领域取得重大突破，已成功开发出氢能燃料电池汽车性能样 车。目前，国内在燃料电池发动机方面已取得大功率氢 空燃料电池组制备的关键技 术，轿车用净输出 30kW 、客车用净输出 60kW 和 100kW 的燃料电 池发动机，已在同济 大学和清华大学燃料电池发动机测试基地分别通过了严格的测试并装车运行，燃料电池 轿车已经累计运行 4000 多公里，燃料电池客车累计运行超过

9、 8000 公里。此前，以氢气为能源的燃料电池汽车被列入国家“863 ”计划，科技部投入12 亿元支持燃料电池汽车和相关技术的研发。此外，国内研发的燃料电池汽车在整车操控性能、行驶性能、安全性能、燃料利用 率等方面均得到较大提高 。国内汽车企业还开发出 100 多种燃气汽车，在 19 个城市 开展了推广应用；国内自主研发的纯电动汽车、混合动力汽车，也已开始示范运行 。2氢能汽车燃料电池系统设计2、系统硬件设计阳极侧生成的水必须及时排除，以免将电解质溶液稀释或淹没多孔气体扩散电极由于阴极（氧电极）的极化损失要比 PAFC等酸性电解质小，因而可以获得很高的电流效益。1.一氧支撑板2.一氧蜂窝（气室

10、）3.一氧电极4 石棉膜5.一氢电极6 一氢蜂窝（气室）7.一氢支撑板8.一排水膜9 一排水膜支撑板10.除水蜂窝（蒸 发室）11.除水蜂窝板3氢能汽车燃料电池系统设计双极式 AFC电池构件排置图1.双极电 池2.双极板3.隔板4.电解质框5.电流收 集板6.夹板电极由载体及催化剂层组成。用化学附着法将催化剂沉淀在载体表面，电化学反应就发生在催化剂层上。催化剂层的主要成分包括，碳载体，高度分散的铂催化剂及疏水介质（如聚氯乙烯，PTFE）。催化剂层的厚度约0.1mm 。高表面积的铂是目前催化剂的首选材料，而碳则是首选载体材料对于较高温度的燃料电池（ MCFC， SOFC），不必用稀缺金属催化剂，

11、而较低温度下的燃料电池（PAFC， PEMFC）则需使用贵金属催化剂来加速电化学反应。3、系统软件设计氢能源汽车发动机循环降温及稳定使用BP 神经系统解决。BP 神经网络是由输入层、隐含层、输出层组成的多层前向网络。 BP 算法实际上是扒衣族样本输入输出问题转换成一个非线性优化问题，并 通过梯度算法利用迭代运算求解全职问题 的一种学习方法，具有 SIGMOID 非线性函数 的仅含一个隐层的前缀 BP 神经网络可以 以任意精度逼近任意连续有节非线性函数 BP 神经网络结构如图所示4氢能汽车燃料电池系统设计?j 个神经元其中 ?为神经网络的输入，? 为神经网络的输出，?个输入到隐含层第为第 i的连接权，?为隐含层第 j 个神经元到第h个输出的连接权，? 为隐含层第 j 个神经元的输?= 1入：? ?。?为输入层第 i 个神经元的 输出： ?=g(?)，其中 g( )为活化函数。?=?取g(?+ ?) 0，?出层第 h个神经元的总输) =1 1+exp 一 (表示偏置或域值。输?= 1人为? =? ?，于是输出层第 h个神经元的实际输出为? =g(ne“) 。输出层任意神经?(k+1)=?(k)+?(k) 1 ?(k)? (k) 一 ? (k)?元