第四章-燃料電池電動(dòng)汽車的基本組成和結(jié)構(gòu)

1、第 四 章 燃料電池車的基本組成和結(jié)構(gòu)現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)主要內(nèi)容n概述n燃料電池車的結(jié)構(gòu)n燃料電池車的關(guān)鍵問(wèn)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(xué)能連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)化成電能的化學(xué)裝置?；瘎┲械幕瘜W(xué)能連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)化成電能的化學(xué)裝置。車用兩種：車用兩種： 2002 年年1 月月9 日，日， 美國(guó)能源部宣布新的汽車研究美國(guó)能源部宣布新的汽車研究項(xiàng)目，項(xiàng)目，項(xiàng)目，長(zhǎng)期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效、價(jià)廉、項(xiàng)目，長(zhǎng)期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效、價(jià)廉、無(wú)污染：研究先進(jìn)、高效的燃料電池技術(shù)，用氫燃料作無(wú)污染：研究先進(jìn)、高效的燃料電池技術(shù)，用氫燃料作動(dòng)力，不產(chǎn)生任何污染。該項(xiàng)目繼續(xù)

2、對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行專動(dòng)力，不產(chǎn)生任何污染。該項(xiàng)目繼續(xù)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行專項(xiàng)研究，但是重點(diǎn)是發(fā)展氫燃料電池電動(dòng)汽車。項(xiàng)研究，但是重點(diǎn)是發(fā)展氫燃料電池電動(dòng)汽車。 eHH222OHe2H2O2122OHO21H222陽(yáng)極：陽(yáng)極： 陰極：陰極： 電池總反應(yīng)：電池總反應(yīng)： 質(zhì)子交換膜燃料電池單體主要由質(zhì)子交換膜燃料電池單體主要由膜電極（陽(yáng)膜電極（陽(yáng)極、陰極）、質(zhì)子交換膜和集流板極、陰極）、質(zhì)子交換膜和集流板組成。組成。其具體反應(yīng)步驟為：經(jīng)增濕后的其具體反應(yīng)步驟為：經(jīng)增濕后的H2和和O2分別進(jìn)入陽(yáng)極分別進(jìn)入陽(yáng)極室和陰極室，經(jīng)電極擴(kuò)散層擴(kuò)散到達(dá)催化層和質(zhì)子交換室和陰極室，經(jīng)電極擴(kuò)散層擴(kuò)散到達(dá)催化層和質(zhì)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(yīng)：膜的界面，分別在催化劑作用下發(fā)生氧化和還原反應(yīng)：質(zhì)子交換膜燃料電池的反應(yīng)原理質(zhì)子交換膜燃料電池的反應(yīng)原理 陽(yáng)極反應(yīng)生成的質(zhì)子（陽(yáng)極反應(yīng)生成的質(zhì)子（H H+ +）通過(guò)質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)到達(dá)）通過(guò)質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)到達(dá)陰極，陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極。生成的陰極，陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極。生成的水以水蒸汽或冷凝水的形式由過(guò)剩的陰極反應(yīng)氣體從陰極水以水蒸汽或冷凝水的形式由過(guò)剩的陰極反應(yīng)氣體從陰極室排出。室排出。燃料電池的優(yōu)勢(shì)：（1）效率高，燃料電池的化學(xué)反應(yīng)不受卡諾循環(huán)的限制，理論上能量效率可接近80，實(shí)際效率已達(dá)5070%。（2）清潔無(wú)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(dá)60，部分功率下運(yùn)行時(shí)效率會(huì)高于額定功率下的效率，可達(dá)約70%，過(guò)載功率下運(yùn)行時(shí)效率略低于額定功率的效率，可達(dá)5055。燃料電池的效率隨輸出功率變化的特性比內(nèi)燃機(jī)更適合于汽車的實(shí)際運(yùn)行。（4）過(guò)載能力強(qiáng)，燃料電池的短時(shí)過(guò)載能力可達(dá)200的額定功率，更適合于汽車的加速、爬坡等工況。（5）設(shè)計(jì)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(chǔ)空間問(wèn)題。2、存儲(chǔ)的安全性及系統(tǒng)效率。3、氫燃料的供給設(shè)施甲醇經(jīng)過(guò)重整甲醇經(jīng)過(guò)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(yīng)如下：甲醇在重

5、整器中發(fā)生的反應(yīng)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(zhì)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(chǔ)氫瓶壓力15MPa)Chinese National FCB Demonstration 超過(guò)超過(guò)8000km 8000km 的的道路行駛試驗(yàn)

6、道路行駛試驗(yàn)20042004年年5 5月月2727日在天日在天安門廣場(chǎng)展示安門廣場(chǎng)展示整車造型與色彩設(shè)計(jì)整車性能指標(biāo)性能指標(biāo)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)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(shí)間加速時(shí)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(jì)算）計(jì)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(yàn)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(duì)應(yīng)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置供給牽引功率；在制動(dòng)狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將部分制動(dòng)能量變換為電能，并儲(chǔ)存在峰值電源中；當(dāng)負(fù)載功率小于燃料電池系統(tǒng)的額度功率時(shí)，峰值電源也能從燃料電池系統(tǒng)補(bǔ)充、恢復(fù)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(dòng)機(jī)的輸出功率始終滿足功率要求；2）峰值電源的能級(jí)始終維持在最佳范圍；3）燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行在其最佳運(yùn)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(qū)動(dòng)系供給功率，燃料電池系統(tǒng)可運(yùn)行在空載狀態(tài)。2）制動(dòng)模式燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行在空載狀態(tài)，而峰值電源依據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行特性吸收再生制動(dòng)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(dòng)機(jī)輸入功率大于燃料電池系統(tǒng)的額定功率，則應(yīng)用混合牽引模式。燃料電池系統(tǒng)運(yùn)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(yīng)。B. 若電動(dòng)機(jī)輸入功率小于燃料電池系統(tǒng)預(yù)設(shè)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(yùn)行，一部分功率用于驅(qū)動(dòng)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(yùn)行于空載狀態(tài)，由峰值電源單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛。C. 若負(fù)載功率大于燃料電池鎖預(yù)設(shè)的最小功率，并小于燃料電池的額度功率，同時(shí)峰值電源不需要充電，則由燃料電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)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(yùn)行，其一部分功率用于驅(qū)動(dòng)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(wèn)題：成本、重量、耗氫、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、無(wú)法制動(dòng)回收問(wèn)題：成本、重量、耗氫、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、無(wú)法制動(dòng)回收問(wèn)題：電池、控制復(fù)雜問(wèn)題：電池、控制復(fù)雜問(wèn)題：可回饋、性能優(yōu)、容量小問(wèn)題：可回

10、饋、性能優(yōu)、容量小問(wèn)題：電池、系統(tǒng)復(fù)雜問(wèn)題：電池、系統(tǒng)復(fù)雜問(wèn)題：對(duì)電池有利、飛輪問(wèn)題：對(duì)電池有利、飛輪4、整體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、整體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)混合動(dòng)力燃料電池大客車原理混合動(dòng)力燃料電池大客車原理電動(dòng)車控制器系統(tǒng)構(gòu)型系統(tǒng)構(gòu)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(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定額定100kW最大最大180kW目標(biāo)樣車目標(biāo)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(jì)性、經(jīng)濟(jì)性節(jié)

11、省耗氫，匹配優(yōu)化2、安全性、安全性技術(shù)難點(diǎn)：耗氫估計(jì)氫安全氫安全電安全電安全結(jié)構(gòu)安全結(jié)構(gòu)安全高電壓高電壓大電流大電流人體觸電防護(hù)人體觸電防護(hù)電磁波對(duì)周邊影響電磁波對(duì)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(chǔ)氫系統(tǒng)的碰撞保護(hù)高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)的碰撞保護(hù)高壓電系統(tǒng)的碰撞保護(hù)高壓電系統(tǒng)的碰撞保護(hù)輕量化帶來(lái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題輕量化帶來(lái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題照片照片 1 時(shí)間時(shí)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(shí)間時(shí)間: 0分分, 3 秒秒 兩種燃料點(diǎn)火，氫流兩種燃料點(diǎn)火，氫流量量2100SCFM，汽油流量，汽油流量680

12、CC/min照片照片 3 時(shí)間時(shí)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(kuò)大焰擴(kuò)大照片照片4 時(shí)間時(shí)間: 1分分, 30 秒，秒，照片照片 5 時(shí)間時(shí)間: 2 分分, 20 秒秒 內(nèi)部爆燃內(nèi)部爆燃 照片照片 6 時(shí)間時(shí)間: 2 分分, 40 秒秒 駕駛座側(cè)后輪胎爆裂駕駛座側(cè)后輪胎爆裂50照片照片 7 時(shí)間時(shí)間: 2 分分, 40 秒秒 駕駛座側(cè)后輪胎駕駛座側(cè)后輪胎爆裂的殘片飛到乘客側(cè)爆裂的殘片飛到乘客側(cè)抗沖擊測(cè)試（左邊是高空墜落，右邊是槍擊）抗沖擊測(cè)試（左邊是高空墜落，右邊是槍擊） 高壓氫氣罐耐高溫測(cè)試高壓氫氣罐耐高溫測(cè)試 抗沖擊測(cè)試后進(jìn)行評(píng)估抗沖擊測(cè)試后進(jìn)行評(píng)估

13、 身體電流 (mA)電流持續(xù)時(shí)間 (ms)10250 1005001000100000.1105010050010001000020020500020001202005100/V500/V人體不會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)的范圍不會(huì)產(chǎn)生有害的生理影響的范圍IEC 60479-1p 對(duì)人體造成有害的生理影響的容許電流值為對(duì)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(chǔ)存2）液態(tài)氫儲(chǔ)存3）金屬氫化物儲(chǔ)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(chǔ)氫活性炭納米碳管氫氣純度純氫高純氫超純氫超純氫超