第四章-燃料電池電動汽車的基本組成和結構

1、第 四 章 燃料電池車的基本組成和結構現(xiàn)代電動汽車技術主要內容n概述n燃料電池車的結構n燃料電池車的關鍵問題1、燃料電池介紹 燃料電池燃料電池是一種將持續(xù)供給的燃料和氧是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學能連續(xù)不斷的轉化成電能的化學裝置。化劑中的化學能連續(xù)不斷的轉化成電能的化學裝置。車用兩種：車用兩種： 2002 年年1 月月9 日，日， 美國能源部宣布新的汽車研究美國能源部宣布新的汽車研究項目，項目，項目，長期目標是實現(xiàn)高效、價廉、項目，長期目標是實現(xiàn)高效、價廉、無污染：研究先進、高效的燃料電池技術，用氫燃料作無污染：研究先進、高效的燃料電池技術，用氫燃料作動力，不產(chǎn)生任何污染。該項目繼續(xù)

2、對電動汽車進行專動力，不產(chǎn)生任何污染。該項目繼續(xù)對電動汽車進行專項研究，但是重點是發(fā)展氫燃料電池電動汽車。項研究，但是重點是發(fā)展氫燃料電池電動汽車。 eHH222OHe2H2O2122OHO21H222陽極：陽極： 陰極：陰極： 電池總反應：電池總反應： 質子交換膜燃料電池單體主要由質子交換膜燃料電池單體主要由膜電極（陽膜電極（陽極、陰極）、質子交換膜和集流板極、陰極）、質子交換膜和集流板組成。組成。其具體反應步驟為：經(jīng)增濕后的其具體反應步驟為：經(jīng)增濕后的H2和和O2分別進入陽極分別進入陽極室和陰極室，經(jīng)電極擴散層擴散到達催化層和質子交換室和陰極室，經(jīng)電極擴散層擴散到達催化層和質子交換膜的界面

3、，分別在催化劑作用下發(fā)生氧化和還原反應：膜的界面，分別在催化劑作用下發(fā)生氧化和還原反應：質子交換膜燃料電池的反應原理質子交換膜燃料電池的反應原理 陽極反應生成的質子（陽極反應生成的質子（H H+ +）通過質子交換膜傳導到達）通過質子交換膜傳導到達陰極，陽極反應產(chǎn)生的電子通過外電路到達陰極。生成的陰極，陽極反應產(chǎn)生的電子通過外電路到達陰極。生成的水以水蒸汽或冷凝水的形式由過剩的陰極反應氣體從陰極水以水蒸汽或冷凝水的形式由過剩的陰極反應氣體從陰極室排出。室排出。燃料電池的優(yōu)勢：（1）效率高，燃料電池的化學反應不受卡諾循環(huán)的限制，理論上能量效率可接近80，實際效率已達5070%。（2）清潔無污染。（

4、3）效率隨輸出功率變化的特性好，燃料電池的效率在額定功率附近可達60，部分功率下運行時效率會高于額定功率下的效率，可達約70%，過載功率下運行時效率略低于額定功率的效率，可達5055。燃料電池的效率隨輸出功率變化的特性比內燃機更適合于汽車的實際運行。（4）過載能力強，燃料電池的短時過載能力可達200的額定功率，更適合于汽車的加速、爬坡等工況。（5）設計方便性（6）低噪音燃料電池的不足：燃料電池的不足：1、壓縮氫氣存儲空間問題。2、存儲的安全性及系統(tǒng)效率。3、氫燃料的供給設施甲醇經(jīng)過重整甲醇經(jīng)過重整, , 重整產(chǎn)物為氫氣、碳氧化物。重整產(chǎn)物為氫氣、碳氧化物。甲醇在重整器中發(fā)生的反應如下：甲醇在重

5、整器中發(fā)生的反應如下：燃料電池大客車燃料電池大客車2、燃料電池車示例、燃料電池車示例 Fuel Cell Bus of Daimler-ChryslerFuel Cell Bus of Daimler-Chrysler外形尺寸 (mm):11,0702,4903,420 滿載總質量 (kg)：15,000載客數(shù)（人）：50最高車速 (km/h)：70最大爬坡度：15%加速性能 (050km/h)：30s續(xù)駛里程 (km)： 200 (40km/h勻速，儲氫瓶壓力15MPa)Chinese National FCB Demonstration 超過超過8000km 8000km 的的道路行駛試驗

6、道路行駛試驗20042004年年5 5月月2727日在天日在天安門廣場展示安門廣場展示整車造型與色彩設計整車性能指標性能指標性能指標試驗結果試驗結果最高車速（最高車速（km/h)86.4最大爬坡度（）最大爬坡度（）18050km/h加速時間加速時間(s)30.90一次加氫一次加氫(40km/h勻速勻速)續(xù)駛里程續(xù)駛里程(km)568.7(按按35MPa計算）計算）氫消耗量（氫消耗量（kg/100km)4.848等效油耗（汽油等效油耗（汽油L/100km)18.3加速車外噪聲（加速車外噪聲（dB(A)）76.3汽車爬坡試驗Performances Motor power：24kW (60 kW)

7、FCE power： 30 kWBattery ： 50AHMax speed： 110 km/hGrade ability ： 20Acceleration：15.9sRange ： 220 kmEfficient： 0.98 kg/100km1、燃料電池車工作原理、燃料電池車工作原理1、燃料電池車工作原理、燃料電池車工作原理急劇加速狀態(tài)下，對應于峰值功率指令，燃料電池系統(tǒng)與峰值電源兩者都向電動機驅動裝置供給牽引功率；在制動狀態(tài)下，電動機運行于發(fā)電機狀態(tài)，將部分制動能量變換為電能，并儲存在峰值電源中；當負載功率小于燃料電池系統(tǒng)的額度功率時，峰值電源也能從燃料電池系統(tǒng)補充、恢復其能量。2、燃料

8、電池控制策略、燃料電池控制策略功能：1）電動機的輸出功率始終滿足功率要求；2）峰值電源的能級始終維持在最佳范圍；3）燃料電池系統(tǒng)運行在其最佳運行區(qū)。2、燃料電池控制策略、燃料電池控制策略1）停頓模式燃料電池系統(tǒng)和峰值電源都不向驅動系供給功率，燃料電池系統(tǒng)可運行在空載狀態(tài)。2）制動模式燃料電池系統(tǒng)運行在空載狀態(tài)，而峰值電源依據(jù)制動系統(tǒng)運行特性吸收再生制動能量。2、燃料電池控制策略、燃料電池控制策略3）牽引模式A.若電動機輸入功率大于燃料電池系統(tǒng)的額定功率，則應用混合牽引模式。燃料電池系統(tǒng)運行在其額定功率狀態(tài)，而剩余的功率的功率需求由峰值電源供應。B. 若電動機輸入功率小于燃料電池系統(tǒng)預設的最小功

9、率，且峰值電源需要充電，則燃料電池系統(tǒng)以額定功率運行，一部分功率用于驅動系，另一部分功率用于峰值電源。弱峰值電源不需要充電，則燃料電池系統(tǒng)運行于空載狀態(tài)，由峰值電源單獨驅動車輛。C. 若負載功率大于燃料電池鎖預設的最小功率，并小于燃料電池的額度功率，同時峰值電源不需要充電，則由燃料電池單獨驅動車輛。若峰值電源需要充電，則燃料電池系統(tǒng)以額度功率運行，其一部分功率用于驅動車輛，另一部分功率用于向峰值電源充電。3、布置形式、布置形式問題：成本、重量、耗氫、動態(tài)響應、無法制動回收問題：成本、重量、耗氫、動態(tài)響應、無法制動回收問題：電池、控制復雜問題：電池、控制復雜問題：可回饋、性能優(yōu)、容量小問題：可回

10、饋、性能優(yōu)、容量小問題：電池、系統(tǒng)復雜問題：電池、系統(tǒng)復雜問題：對電池有利、飛輪問題：對電池有利、飛輪4、整體結構與設計、整體結構與設計混合動力燃料電池大客車原理混合動力燃料電池大客車原理電動車控制器系統(tǒng)構型系統(tǒng)構型上海神力上海神力燃料電池燃料電池130kW雙向雙向DCDC放電：放電：50kW充電：充電：20kW鎳氫或鋰離子電池鎳氫或鋰離子電池80100Ah200250V驅動電機驅動電機額定額定100kW最大最大180kW目標樣車目標樣車豐田燃料電池車市客車豐田燃料電池車市客車FCHV 戴姆勒戴姆勒-克萊斯勒燃料電池城市客車克萊斯勒燃料電池城市客車 燃料電池轎車燃料電池轎車1、經(jīng)濟性、經(jīng)濟性節(jié)

11、省耗氫，匹配優(yōu)化2、安全性、安全性技術難點：耗氫估計氫安全氫安全電安全電安全結構安全結構安全高電壓高電壓大電流大電流人體觸電防護人體觸電防護電磁波對周邊影響電磁波對周邊影響氫泄漏氫泄漏滯留滯留氫易燃易爆性氫易燃易爆性氫脆性氫脆性高壓儲氫系統(tǒng)的碰撞保護高壓儲氫系統(tǒng)的碰撞保護高壓電系統(tǒng)的碰撞保護高壓電系統(tǒng)的碰撞保護輕量化帶來的結構強度問題輕量化帶來的結構強度問題照片照片 1 時間時間: 0分分, 0 秒秒 氫燃料車輛在左邊，汽氫燃料車輛在左邊，汽油車輛在右邊油車輛在右邊 照片照片 2 時間時間: 0分分, 3 秒秒 兩種燃料點火，氫流兩種燃料點火，氫流量量2100SCFM，汽油流量，汽油流量680

12、CC/min照片照片 3 時間時間: 1分分, 0 秒，氫流量減退，汽油車火秒，氫流量減退，汽油車火焰擴大焰擴大照片照片4 時間時間: 1分分, 30 秒，秒，照片照片 5 時間時間: 2 分分, 20 秒秒 內部爆燃內部爆燃 照片照片 6 時間時間: 2 分分, 40 秒秒 駕駛座側后輪胎爆裂駕駛座側后輪胎爆裂50照片照片 7 時間時間: 2 分分, 40 秒秒 駕駛座側后輪胎駕駛座側后輪胎爆裂的殘片飛到乘客側爆裂的殘片飛到乘客側抗沖擊測試（左邊是高空墜落，右邊是槍擊）抗沖擊測試（左邊是高空墜落，右邊是槍擊） 高壓氫氣罐耐高溫測試高壓氫氣罐耐高溫測試 抗沖擊測試后進行評估抗沖擊測試后進行評估

13、 身體電流 (mA)電流持續(xù)時間 (ms)10250 1005001000100000.1105010050010001000020020500020001202005100/V500/V人體不會產(chǎn)生反應的范圍不會產(chǎn)生有害的生理影響的范圍IEC 60479-1p 對人體造成有害的生理影響的容許電流值為對人體造成有害的生理影響的容許電流值為2mA10mAp 為此必須確保在任何情況下電系統(tǒng)的絕緣阻抗值為此必須確保在任何情況下電系統(tǒng)的絕緣阻抗值100/3、可靠性、可靠性4、供氫供氫 （1）車載制氫（2）車載純氫 1）高壓氫氣儲存2）液態(tài)氫儲存3）金屬氫化物儲氫4）活性炭吸附貯氫5）碳納米材料貯氫存氫方法高壓氫液 氫金屬儲氫活性炭納米碳管氫氣純度純氫高純氫超純氫超純氫超