Nuevo dispositivo de accionamiento de pila de combustible para vehículos comerciales
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En los últimos 20 años, aunque el desarrollo de pilas de combustible ha mostrado una tendencia diversificada, no ha habido ningún avance sustancial en el campo de los dispositivos de propulsión de vehículos comerciales. Ya en el siglo XX algunos autobuses urbanos utilizaban pilas de combustible en pequeñas cantidades, pero el foco de su desarrollo tecnológico todavía estaba en el sector automovilístico. En los últimos años, los investigadores han ido trasladando gradualmente el campo de aplicación de las pilas de combustible a los vehículos comerciales. Esto se debe principalmente a la reciente adopción formal de regulaciones de vehículos comerciales de la UE para reducir las emisiones de CO2. El reglamento estipula que las emisiones de CO2 de los vehículos deben reducirse en un 30% para 2030 en comparación con la fase de referencia actual. Este objetivo ha llevado a que los sistemas de propulsión eléctricos sustituyan gradualmente a los motores diésel de los vehículos, promoviendo así la aplicación de las pilas de combustible en los vehículos comerciales. En comparación con las baterías, las pilas de combustible tienen las ventajas de una mayor autonomía de conducción y un menor tiempo de repostaje. Al mismo tiempo, el diseño del vehículo se puede optimizar significativamente para lograr un aligeramiento, mejorando así efectivamente la economía del vehículo (Tabla 1). Además, sin aumentar las emisiones de CO2, se pueden destacar aún más las ventajas técnicas de las pilas de combustible porque su densidad energética es mayor que la de las baterías, lo que también mejora el impacto negativo sobre el medio ambiente durante el proceso de fabricación.
1?Reducir costes es un gran reto.
En Alemania, la tecnología de pilas de combustible ha madurado y se puede producir en masa, pero un desafío importante es que la escala y el número de estaciones de servicio de hidrógeno aún son limitados. Además, los investigadores deben reducir aún más el coste de fabricación de los sistemas de pilas de combustible. En términos de control de costos, tanto la comunidad científica como la industrial han logrado avances importantes. En la actualidad, además de la propia pila de combustible, los factores que tienen mayor impacto en los costes son el dispositivo de suministro de combustible y los equipos auxiliares. Por lo tanto, los sistemas de pilas de combustible están disponibles actualmente en una variedad de tamaños y su rendimiento técnico puede satisfacer diferentes requisitos de energía. Además, es necesario armonizar y estandarizar los sistemas de pilas de combustible y los niveles de potencia existentes en el mercado. Actualmente, las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) han atraído mucha atención en el campo de la automoción. Además del sistema de suministro de oxígeno en el sistema abierto, * * * hay dos tipos de opciones de circuito cerrado disponibles. Uno de ellos se utiliza para la regulación térmica de la pila de pilas de combustible y el otro para suministrar combustible de hidrógeno. Todo el equipo periférico del sistema de pila de combustible, a menudo llamado sistema de control auxiliar (BoP), utiliza componentes mecatrónicos y su costo es aproximadamente el 25% de todo el sistema (Figura 1).
2?La herencia y la estandarización de componentes son clave.
A lo largo de los años, Pierberg ha producido una variedad de componentes que se pueden utilizar en sistemas PEMFC, así como otros productos auxiliares estrechamente relacionados con las pilas de combustible. Actualmente, la investigación y el desarrollo de la empresa se centran en válvulas catódicas, bombas de refrigerante y refuerzos de recirculación de hidrógeno (Figuras 2 y 3). Los requisitos de estandarización para bombas de refrigerante y sobrealimentadores de hidrógeno son altos y deben estar equipados con una cierta proporción de piezas comunes para coordinar el costo y la calidad del producto con factores como la conversión de tecnología, la vida útil y la seguridad operativa, y hacer Uso completo de la nueva bomba de refrigerante de alta presión y refuerzo de hidrógeno mejorado. Para aumentar aún más la proporción de componentes comunes y reducir los costos de desarrollo, los investigadores diseñaron por separado componentes y software de alto voltaje, como bombas de refrigerante, sobrealimentadores de hidrógeno, motores de gran capacidad y dispositivos electrónicos de potencia (convertidores), e integraron todos los componentes mecánicos. y electrónicos Los componentes están integrados en una carcasa monolítica cilíndrica, incluidos los componentes estructurales del rotor, el motor y otros componentes electrónicos (Figura 4).
Teniendo en cuenta las normas de diseño y seguridad de los fabricantes de automóviles, los motores y dispositivos electrónicos se diseñan básicamente según las normas LV123/124, lo que garantiza un máximo de 800? v? ¿HV2b y HV3? Utilice dichos equipos de forma segura. La electrónica de potencia de alto voltaje utilizada en el funcionamiento del motor generalmente está dispuesta separada del sistema de voltaje y de la interfaz de bus CAN. La electrónica está conectada directamente al motor síncrono DC sin escobillas (BLDC) y cumple con el estándar ECE-R10 para garantizar la confiabilidad y las características electromagnéticas del sistema. La bomba de refrigerante y el refuerzo de hidrógeno cuentan con regulación continua de velocidad, diagnóstico del sistema y gestión selectiva de la red. El aislamiento de sellado entre las partes estructurales del rotor en contacto con el medio y la electrónica se puede lograr mediante tubos de plástico con ranuras.
El tubo ranurado puede sellar la carcasa con una junta tórica de carga puramente estática, garantizada en alrededor de 0,8? Presión MPa. En ambas máquinas de fluidos, este tubo ranurado evita un contacto a gran escala del medio y la mezcla de hidrógeno con la electrónica. Al mismo tiempo, el principio de sellado estático no se verá afectado por la fricción ni el envejecimiento, por lo que puede garantizar un funcionamiento fiable del producto durante toda su vida útil.
Al seleccionar materiales para componentes estructurales en contacto con el medio, los investigadores científicos no solo deben garantizar su resistencia a la corrosión, sino también considerar la posibilidad de precipitación de iones y materiales para evitar MEA? Degradación acelerada del refrigerante y aumento progresivo de la conductividad del refrigerante en la bomba de refrigerante. En este sentido, los rodamientos, como únicos componentes sujetos a desgaste, se han convertido en el centro de la investigación. En las bombas de refrigerante se utilizan habitualmente rodamientos fabricados con materiales sintéticos. Debido a la presencia de medio gaseoso en el sobrealimentador de hidrógeno, los investigadores científicos lo equiparon con rodamientos sellados para lograr una coordinación mutua durante la selección del material y evitar que genere cargas electrostáticas y chispas. Además, mediante la optimización del diseño, los investigadores científicos han conseguido que este material lubricante para rodamientos especialmente desarrollado tenga un rendimiento excelente en términos de composición, viscosidad, estabilidad química, etc., garantizando así que el rodamiento se encuentre en un estado operativo de baja fricción durante toda su vida útil. .
3? Válvula catódica de la pila de combustible
Al igual que en un motor de combustión interna, para que la pila de pila de combustible funcione normalmente, se le debe suministrar aire limpio comprimido por un sobrealimentador. Para regular el flujo de aire fresco, aire de derivación y aire de escape, se requiere un sistema de válvula motorizada. Además, si la pila de pilas de combustible no funciona, quedará sellada del entorno circundante a través de una válvula unidireccional de alto sellado.
Dependiendo de la aplicación, las placas de válvulas y válvulas anteriores deben tener buena estabilidad y durabilidad al entrar en contacto con agua e hidrógeno. Esto requiere un buen sellado entre el cuerpo de la válvula y el actuador, especialmente cuando la válvula de retención está cerrada, y debe mantenerse eficazmente durante toda su vida útil.
Basándose en su experiencia en el desarrollo de válvulas de mariposa para motores de combustión interna, los investigadores de Pierburg han diseñado una serie de válvulas reguladoras y válvulas unidireccionales que se pueden utilizar en el lado negativo de las pilas de combustible y se han colocado en producción de lotes pequeños. El concepto básico de un acelerador de motor de combustión interna consiste en una placa de válvula giratoria y un actuador de motor de CC integrado. Actualmente, este esquema básico se mantiene y se desarrolla según los criterios anteriores. Las placas de las válvulas de control han sido dimensionadas para adaptarse a sus respectivos niveles de potencia y flujo de aire requerido. Otras características técnicas, como voltaje del circuito del automóvil (12/24?v), etc. , que se puede configurar según los requisitos del usuario. Para cumplir con los requisitos de sellado más altos, los investigadores adoptaron un esquema de diseño estructural que combina un anillo de sellado con una placa de válvula oscilante. Cuando sea necesario, los rodamientos de agujas que pueden lograr múltiples sellos pueden garantizar el efecto de sellado entre el eje del plato de la válvula y el actuador (Figura 5).
4? Bomba de refrigerante principal de pila de combustible
PEMFC con una eficiencia de hasta el 65 % seguirá produciendo algunas pérdidas durante el proceso de conversión electroquímica. ¿Para estabilizar la temperatura de reacción entre 80 y 100ºC? A 20 ° C, para evitar daños térmicos locales a la pila de combustible, se requiere refrigeración líquida forzada. Al mismo tiempo, los investigadores deben pretratar la temperatura y la humedad a bajas temperaturas para producir agua desionizada y etilenglicol con conductividad débil. La mezcla puede fluir a través de la pila de pilas de combustible y enfriarse. Debido a que los investigadores procesaron una cierta cantidad de paneles en serie, el refrigerante requerido produjo una gran pérdida de presión. La bomba de refrigerante diseñada para esta situación debe tener un campo de curva característica adecuado y ser capaz de generar de manera estable la alta potencia requerida. Para elegir un material adecuado, se debe garantizar que tenga una cierta resistencia a la corrosión. Por lo tanto, los investigadores deben tomar las medidas correspondientes para evitar la influencia de la conductividad del refrigerante y evitar la aparición de corriente de fuga en el núcleo.
Los investigadores de Pierburg han diseñado una bomba de refrigerante primaria que se puede utilizar en pilas de combustible. ¿El voltaje de la bomba de refrigerante principal es 12? v, potencia 0,45? kilovatios Al configurar una alta proporción de componentes comunes y utilizar componentes que se han puesto en producción en masa, los investigadores han reducido efectivamente los costos y han garantizado la confiabilidad y la calidad del sistema.
En un marco de sistema desarrollado para vehículos comerciales, la bomba de refrigerante principal tiene mayores requisitos de energía debido al modo de conducción de alto voltaje. En vehículos comerciales, excepto 400? ¿Fuera del sistema V(HV2b), 800? El voltaje del sistema V(HV3) también se ha convertido en el foco de atención de los investigadores. La bomba de refrigerante recientemente desarrollada para vehículos comerciales está diseñada de acuerdo con los dos niveles de voltaje anteriores y los requisitos relacionados, y su potencia eléctrica es de hasta 2? KW, por lo que tiene amplias perspectivas de aplicación (Tabla 2).
5? Refuerzo de recirculación de hidrógeno
PEMFC proporciona combustible de hidrógeno en el lado del ánodo. El combustible de hidrógeno se suministra a través de válvulas reductoras de presión y válvulas dosificadoras, y su presión de almacenamiento puede oscilar entre 70? ¿MPa cae gradualmente a 0,1 ~ 0,3? MPa para mejorar el proceso de reacción en la pila de combustible, la relación estequiométrica de la mezcla de hidrógeno suministrada es mayor que 1 y la concentración de la mezcla en la salida del núcleo también se puede ajustar de acuerdo con el proceso operativo real. Dependiendo de la estrategia operativa adoptada, esta mezcla de gases se recircula dentro del núcleo durante la recirculación unitaria o binaria mediante un inyector. Debido a su rango operativo limitado, a menudo se usa junto con un sobrealimentador activo impulsado por un motor eléctrico, de ahí el nombre de sobrealimentador de recirculación de hidrógeno. El proceso de recirculación activa amplía el rango operativo de la pila de combustible, permitiendo una mayor libertad en el diseño y la aplicación del sistema de energía. Otras ventajas son la mayor homogeneización del gas mezclado, que contribuye al proceso de deshumidificación del núcleo y eliminación cíclica. Tiene mayor eficiencia, mayor vida útil y mejor rendimiento energético, y también mejora el rendimiento del arranque en frío. Por lo tanto, la mayoría de los sistemas de pilas de combustible de los vehículos están actualmente equipados con una función de recirculación activa, lo cual es muy importante para los sistemas de vehículos comerciales. Los investigadores de Pierberg configuraron el sistema en más de 400? v? voltaje para operar y está disponible por 800? Se proporcionan sobrealimentadores de hidrógeno para vehículos comerciales con voltaje de trabajo V, que cubre 0,4 ~ 1,6? kilovatios? Rango de potencia eléctrica (Tabla 3).
La unidad de bombeo de aceite de canal lateral de una sola etapa utilizada en el sistema es una máquina de fluido rotativa de baja presión, que tiene un buen nivel silencioso y puede reducir eficazmente las pérdidas por estrangulamiento. Además, el sobrealimentador de hidrógeno también está equipado con una camisa de agua de refrigeración, que puede garantizar el funcionamiento continuo del motor a plena carga y descongelar el sobrealimentador de hidrógeno durante el arranque en frío.
Para evitar fugas externas, los investigadores diseñaron sellar y aislar el área donde se encuentra el medio del equipo electrónico y realizar inspecciones de fugas de helio al final de la línea de producción para garantizar su calidad. Para poder poner en producción con éxito un nuevo vehículo de pila de combustible, debe cumplir con las regulaciones y requisitos límite de la UE EG79/2009. Para garantizar aún más el funcionamiento seguro y confiable del sistema durante toda su vida útil, los investigadores científicos deben estudiar con anticipación la falla del sello del recipiente en el espacio de la junta tórica estática de acuerdo con la norma DINEN60079-1 y ajustar el espacio. tamaño entre los componentes en consecuencia. Evite la rotura por incendio a lo largo de la dirección del núcleo y reduzca los costos del proceso de fabricación.
6? Conclusión y perspectivas
Las pilas de combustible han logrado algunos avances tecnológicos en el campo de los vehículos comerciales. Los vehículos de pila de combustible son más económicos que los vehículos eléctricos de batería porque permiten una mayor autonomía y tiempos de repostaje más cortos. Además, entre las diversas fuentes de energía alternativas, la energía del hidrógeno es más adecuada para el almacenamiento, lo que la convierte en clave para el proceso de conversión de energía de los automóviles. Basándose en años de experiencia en el desarrollo de pilas de combustible, Pierburg ha desarrollado productos completamente nuevos que pueden cumplir con los requisitos de calidad, seguridad y vida útil de los sistemas de pilas de combustible de vehículos comerciales de futura generación.
Este artículo fue publicado en el número 5 de 2020 de la revista "Automobiles and New Power".
Autor: [Alemania] S.ROTHGANG et al.
Organizado por: Fan Qiangming
Editor: Worcester
Este artículo es del autor de Autohome y no representa la posición de Autohome.