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氢气本身特有的强可压缩性和液氢相变的复杂性,短期内难以通过控制算法优化完全消除氢燃料控制精度不高、计量不准确等问题。氢燃料发动机的控制问题将直接影响发动机的状态切换和稳定运行。将氢燃料燃气涡轮发动机与燃料电池组合形成混合电推进系统,氢燃料发动机只在额定功率下运行并发电,由电驱系统进行功率调节,可以有效避开氢燃料发动机状态切换不可控这一瓶颈问题。因此,氢燃料混合电推进方式将会是未来氢燃料发动机的主要发展趋势。。氢损伤是指由氢与材料相互作用引起的材料性能受损的现象,诸如氢致裂纹、氢鼓包、白点、高温氢腐蚀、氢致滞后开裂、氢致塑性下降、氢致马氏体相变脆化和形成氢化物等。对于体心立方结构的马氏体和铁素体钢,高温氢腐蚀、表面脱碳、氢致滞后断裂、白点、氢压裂纹是较为常见的氢损伤破坏形式;对于面心立方结构的奥氏体钢,氢致塑性损减、滞后开裂、氢致马氏体相变脆化、高温氢腐蚀,以及氢鼓包是更为可能的氢损伤破坏形式。典型氢损伤如图所示。:..几种典型的氢损伤对于氢燃料发动机,由于部件服役工况不同,可能存在的氢损伤风险也有所不同。对于长时间处于室温温度区间服役的涉高压氢部件(如、304和316等奥氏体不锈钢输氢管路)来说,其氢损伤风险主要来源于氢鼓包/氢致裂纹和氢致塑性损失。对于燃烧室、涡轮等涉及高温高压氢服役工况的部件材料(GH3536、),由于服役温度高(RTg850C),氢会快速渗透进入合金中,导致长期服役时发生高温氢腐蚀开裂失效和氢致表面脱碳,影响部件材料的服役安全。针对氢燃料航空发动机,其涉高压氢部件的氢损伤问题不容忽视,这是整个产品安全性设计的基础。目前急需开展如下几项工作:针对涉高压氢的管路,首选组织稳定性好的奥氏体合金,同时考虑部件材料的化学成分、冶金质量等与其耐氢损伤能力的关系;对于燃烧室、涡轮等涉高温高压氢的部件,则着重考虑材料的耐高温氢腐蚀能力,建立材料中的碳含量、析出相、晶界结构和类型等与氢损伤的关系;尤为迫切的是,需要建立相关材料在涉氢服役工况下的组织与性能数据库,为氢燃料航空发动机的安全性设计提供理论和数据支撑。,无需经历热机过程,因此不受限于卡诺循环且能量转换效率较高。由于燃料电池电化学反应发电过程无硫氧、氮氧化物生成,因而燃料电池技术被认为是最清洁、环保、高效的可循环发电技术。随着燃料电池技术的发展,其工作性能及装置适应性逐步提升,目前主要应用于燃料电池汽车动力系统、燃料电池电站、分布式热电联供系统以及便携式发电设备等领域,已成为新能源规模化应用的关键技术之一。目前,根据所使用燃料类别与电解质特性不同,通常将燃料电池分为:甲醇燃料电池(DMFC)、磷酸燃料电池(PAFC).碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、固体氧化物燃料电池(SoFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)等。各类燃料电池工作温度、燃料类型、发电效率、主要应用领域等有所不同(各类燃料电池特性对比分析见表1),但总体结构与工作原理基本相同,因此以目前适应性最强、应用最普遍的质子交换膜燃料电池(PEMFC)为代表对燃料电池关键技术与结构进行详细分析。表1各类燃料电池特性对比:..转化效率电解质腐燃料氧化剂催化层工作温度/℃/%蚀性主要应用领域甲醇燃料电池甲醇空气30-40低便携发电设备缸钉磷酸燃料电池氧气/天然气空气柏100~20040-50强发电站碱性燃料电池氢气氧气银50-20050-60中航天器质子交换膜燃料电池氢气/天然气空气柏50-10040~60无汽车/发电站固体氧化物燃料电池氢气/天然气空气非金属800-100050-60无发电站熔融碳酸盐燃料电池氢气/天然气空气非金属650-70050-55强发电站质子交换膜燃料电池是典型的氢燃料电池,以氢气为电化学反应燃料,以空气或氧气为氧化剂,利用全***磺酸型质子交换膜作为电解质。质子交换膜燃料电池由电堆、控制系统、供气系统等结构组成,其中电堆是燃料电池发电核心元件,主要由膜电极与双极板组成。膜电极(MEA)是质子交换膜燃料电池电化学反应发生及电能转化关键场所,自内而外由质子交换膜(PEM)、阴/阳极催化层、阴/阳极气体扩散层、密封圈构成,如图5所示。其中,质子交换膜用于电化学反应时传递质子、分隔阴阳极反应区;阴/阳极催化层(C1)作为催化剂载体实现电化学反应催化作用;阴/阳气体扩散层(GD1)用于将反应气体均匀扩散至催化层;密封圈用于固定、密封膜电极组件。:..膜电极组件示意图制氢的逆反应,具体电化学反应原理如下:燃料氢气经双极板输送至膜电极,并被阳极气体扩散层均匀引导至阳极催化层发生反应,氢气被氧化释放电子形成带正电荷的氢离子,而后氢离子受电势差驱动穿过质子交换膜被引导至阴级催化层,电子则流入外部电路形成电流,同时氧化剂中氧气被引导至阴极催化层被还原为氧离子后与氢离子结合生成水,这是质子交换膜燃料电池电化学反应的唯一副产物,其工作原理示意图如图所示。阴/阳极电化学反应(略)。电流额外氢气阳极电解质阴极<那/E图6质子交换膜燃料电池工作示意图相较于其他类型燃料电池,质子交换膜燃料电池具有能量转换效率高、工作温度低、氧化剂为空气、电解质无腐蚀性、动态响应速度快、副产物环保、运行无噪声、能量可循环利用等优点;同时也存在使用贵金属材料成本较高、对燃料氢气纯度要求高等不足。因此,相对于其他燃料电池质子交换膜燃料电池综合性能最优、应用最为广泛,目前已成为燃料电池汽车的主流技术,并且在固定式、便携式发电装置中得到大量应用。:..燃料电池汽车系统分析与传统燃油(燃气)汽车及纯电动汽车工作原理不同,燃料电池汽车通常是利用质子交换膜燃料电池技术提供电能驱动整车系统运行的一种新能源汽车。燃料电池汽车主要由燃料电池发动机系统、电机系统、辅助电源系统、车载储氢系统、整车控制系统(VCU)等部件构成,整车系统组成示意图如图7所示。燃料电池汽车工作过程是由燃料电池发动机系统经过电化学反应输出低压电流,之后通过DC/DC逆变器增压并与辅助电源系统耦合,共同驱动电机系统以及整车运行,行驶过程中可通过控制系统(VCU)输出指令,从而调节导入燃料电池发动机系统内参与电化学反应的氢气与空气流量,实现对燃料电池输出电流的相应控制,最终实现燃料电池汽车速度、扭矩的精准调控。图燃料电池汽车系统组成示意图注1:实线表示氢燃料电池主反应动力传动路线,虚线为非主要动力传动系统针对传统燃油(燃气)汽车与纯电动汽车整车性能及关键部件开展对标分析,燃料电池汽车具有明显优势:能量转化效率高、零碳排放、低温性能稳定、响应速度快、比能量高、续航里程长、加氢高效便捷、安全性能好、可适应大吨位重载工况、工作运行效率高、运行过程无污染且无噪音等;同时,制约其规模化应用的瓶颈也较为突出:首先,燃料电池发动机等关键部件成本高,导致燃料电池车售价为燃油车的23倍、?2倍;其次,加氢站配套设施建设费用:..致其应用成本高、相较于传统汽车不具备费用化竞争优势。因此,要实现燃料电池汽车的大规模商用化,除了优化氢能产业链、降低加氢成本,更需要积极开展燃料电池发动机关键技术以及相关核心零部件国产化研究,降低生产成本、提升使用寿命从而提高经济性。、商用化应用,以解决交通运输领域环境污染、高碳排放等问题,除了优化燃料电池发动机整体关键技术,同时还需要积极开展燃料电池汽车核心零部件研发以及相关成本分析,以实现核心零部件国产化应用,降低生产成本、提高使用寿命,从而整体提升燃料电池汽车经济适用性。燃料电池发动机是燃料电池汽车的核心部件,是将燃料氢气与空气中氧气通过电化学反应直接转化为电能的一种发电装置,其性能决定了燃料电池汽车整体运行效率、适应工况、安全性能、使用寿命以及研制成本等,因此对燃料电池发动机技术以及相关零部件进行系统梳理并深入分析意义重大。燃料电池发动机发电过程不涉及热机能量转化、无机械损耗、能量转化效率高、运行平稳且无噪音,副产物仅为水,因此被称为“最理想环保发动机”。目前,燃料电池汽车所用燃料电池发动机均为氢燃料电池发动机系统,主要由燃料电池电堆、空气供给模块、氢气供给模块、散热模块以及智能监控模块相互协调构成,氢燃料电池发动机示意图如图8所示。电磁阀哈出电力减■置匕射装置MHW新环装或H2Tank发气尾排冷却系统电磁网?≠加热笈q)C水泵—A氢气回路—A冷却介质回跳节总器f空气回路空压机--埔泡回路1HΛΛΛΛΛΛΛΛF÷Q1―?电力输出回路1?_H①温度传感七现代化工湿系统压力传感器?扰动控制9图氢燃料电池发动机PID?示意图濯度传器其中,氢燃料电池电堆作为燃料电池发动机系统的核心动力来源部件,是燃料电池发生电化学反应输出电流的主要场所,对燃料电池发动机性能与成本具有关键影响。电堆的组成主要包括膜电:..等。由于单个燃料电池电堆输出功率较小,因此实际应用中通常将多个燃料电池电堆以层叠方式串联并经前/后端板压紧固定后形成复合电堆组件以提高整体输出功率。根据目前燃料电池输出电流密度平均水平,燃料电池发动机单片电池电堆输出电功率约为即输出IkW电功率需串联4片电堆。若取燃料电池发动机输出效率(发动机输出功率/电堆输出功率,其中,发动机输出功率等于电堆输出减发动机辅件BOP及DC/DC逆变器等输出功率)为80%,IkW发动机输出功率需要5片电堆,以商用燃料电池重卡汽车120kW的输出需求计算,则约需串联600片电堆组件。燃料电池汽车最核心部件当属电堆,作为决定电化学反应性能关键场所,其总体成本占燃料电池汽车整体30%以上,是成本与性能的主要决定因素。空气供给模块主要功能是控制空气供给与断开以及向燃料电池电堆组件提供适宜压力、流量、湿度空气,其零部件主要包括空气滤清器、空压机、增湿器、流量计、电磁阀以及循环管线。经空气滤清器过滤后的大量清洁空气被空压机压缩导入,为提高质子交换膜燃料电池工作效率还需经过增湿器将空气湿度调节至合适范围后输入燃料电池电堆参与反应,电磁阀则用于控制氢气供给与断开。氢气供给模块主要功能是控制氢气供给与断开以及向燃料电池电堆组件提供适宜压力、流量氢气,其零部件主要包括氢气入口电磁阀、减压器、氢气循环泵、氢气出口电磁阀以及循环管线。减压器将氢气入口压力降至电堆适宜工作压力范围以内,电磁阀则用于控制氢气供给与断开。为提高氢气循环利用率,通过氢气循环泵将电化学反应后剩余的氢气运移至电堆氢气入口处重复使用。散热模块可细分为电堆散热系统和辅助部件散热系统两类,电堆散热系统主要功能是调节并保持电堆温度处于合适工作范围,利用节温器特性,该散热系统分大小循环,初始温度较低时采用小循环管路,随着温度的迅速提高逐步开启大循环管路,避免燃料电池电堆长时间工作在较低温度影响燃料电池发电效率及使用寿命,因此该系统兼具散热和加热两种功能。辅助部件散热系统一般集成于燃料电池整车,由整车管路及风扇完成散热循环。智能监控模块主要功能是利用数据采集系统对燃料电池发动机系统各项运行参数与状态进行检测,实时反馈至燃料电池汽车仪表仪器,并对发动机系统各项运行参数实时分析,针对系统反馈参数存在异常情况进行自动预警、全程记录。同时,车辆运行过程中可针对燃料电池发动机监测数据通过控制系统(VCU)传达指令,从而调节发动机系统相应参数,实现对燃料电池汽车发动机运转速度、输出扭矩等工况精准调控。,氢能应用于交通运输领域的技术构想发展,但并不应局限于现如今最常见的燃料电池与动力电池“氢-电混合”技术路线,还应积极拓展多种氢能利用技术路线齐头并进,包括各类燃料电池及燃烧装备技术(内燃机、锅炉、燃气轮机和灶具等),重点围绕全生命周期内的安全、能效、排放及成本等方面深入研究。尽管目前“氢■电混合”路线受公众青睐度最高,但其他氢能利用技术路线也同样具备特有的研究价值与良好的推广前景,其中天然气掺氢(HCNG)内燃机技术是传统燃气(油)汽车向新能源燃料电池汽车全面过渡阶段:..其规模化应用将进一步拓展氢能在交通运输领域的利用范围。氢燃料电池汽车相较于传统燃油(气)汽车具有能量转化效率高、绿色清洁、环保高效、零碳排放等显著优势,但由于燃料电池中质子交换膜、阴/阳极催化层等组件对电化学反应过程中燃料氢气纯度要求高(299%),否则将导致燃料电池组件使用寿命大大缩短,因此对储氢品质要求较高并增加了用氢成本。而天然气掺氢内燃机技术则是充分结合了传统燃气汽车内燃机动力驱动系统,将汽车内燃机燃料多元化,以天然气掺入一定比例(20%左右)的氢气作为燃料。天然气掺氢内燃机技术有效克服了纯天然气燃料存在的稀燃能力弱、燃烧循环变动大、HC排放高等缺陷,具有低碳化显著、燃烧速率快、热力循环优、热转化与传导效率高等优势,因而具有强劲的发展潜力与市场驱动力。经研究表明,G内燃机动力性、经济性、排放等因素,若采用固定体积掺氢比为20%G燃料,在无需改动汽车整体系统的情况下,发动机热效率可提高15%,经济性提高8%,污染物排放降低60%~80%°因此,大力开发利用天然气掺氢内燃机技术是实现传统燃气(油)汽车向氢能源燃料电池汽车过渡的重要可行性发展方向,对于缓解全球能源危机、交通运输领域环境污染、高碳排放等问题以及储备氢能规模化应用积累实践经验潜力巨大。10思考与展望氢能作为优质绿色可再生能源以及高储能密度能源载体兼具物质与能源特性,既可用作燃烧或化学工业原料供能,也能作为波动性可再生能源载体进行储能并释放,具备高储能密度(142MJ∕kg).来源广泛、可循环、清洁、零碳、利用形式多样等多重优势。因此,推动氢能源替代传统化石能源在工业生产与生活消费中规模化应用,对于加速能源结构绿色转型、缓解能源危机以及实现全球碳中和战略目标意义重大。目前,氢能作为重要化工原料,应用范围仍主要集中于传统化工生产领域,但要充分发挥氢能绿色环保、低碳高效的巨大潜力,则必须积极拓展氢能利用技术路线、打通氢能规模化应用的关键技术环节。其中,氢燃料电池发电与氢燃料电池汽车技术充分利用氢能电化学转化效率高的突出优势,已成为现阶段推广氢能应用的热门领域。然而,氢燃料电池与燃料电池汽车技术普遍存在配套核心材料、关键零部件研制成本高昂、转换效率与响应速率有待提升等问题。因此,为发挥氢能在交通运输领域的显著优势,实现燃料电池汽车的大规模商用化,除了优化燃料电池发动机整体关键技术,还需积极开展燃料电池汽车核心零部件研发,以实现核心零部件国产化应用,降低生产成本、提高使用寿命,从而整体提升燃料电池汽车经济适用性;同时大力开发利用天然气掺氢(HCNG)内燃机技术是实现传统燃气(油)汽车向氢能源燃料电池汽车过渡阶段的重要可行性发展方向。氢燃料发动机是一条全新的“赛道”,不仅距离长,而且涉及领域多,涵盖能源、基础设施、交通等多个行业。开展氢燃料航空发动机研制工作,将极大带动我国在能源、交通和国防领域的原始科技创新,将逐步颠覆现有航空发动机发展格局,促进我国“双碳”战略的实施。因此,发展氢燃料发动机,既是行业发展需要,更是国家战略需要。随着氢能产业政策红利、市场红利和技术红利的不断释放,低碳氢能航空时代正在向我们走来。