第四章-燃料電池電動汽車的基本組成和結(jié)構(gòu)

章燃料電池車的基本組成和結(jié)構(gòu)現(xiàn)代電動汽車技術(shù)2021/5/91主要內(nèi)容概述燃料電池車的結(jié)構(gòu)燃料電池車的關(guān)鍵問題2021/5/92一、概述1、燃料電池介紹燃料電池（FuelCell）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。車用兩種：質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池2002年1月9日，美國能源部宣布新的汽車研究項目，F(xiàn)reedomCAR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(shù)，用氫燃料作動力，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。2021/5/93

陽極：陰極：電池總反應(yīng)：質(zhì)子交換膜燃料電池單體主要由膜電極（陽極、陰極）、質(zhì)子交換膜和集流板組成。其具體反應(yīng)步驟為：經(jīng)增濕后的H2和O2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(zhì)子交換膜的界面，分別在催化劑作用下發(fā)生氧化和還原反應(yīng)：2021/5/94質(zhì)子交換膜燃料電池的反應(yīng)原理

陽極反應(yīng)生成的質(zhì)子（H+）通過質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)到達陰極，陽極反應(yīng)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(yīng)氣體從陰極室排出。2021/5/95燃料電池的優(yōu)勢：（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％，實際效率已達50～70%。（2）清潔無污染。（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50～55％。燃料電池的效率隨輸出功率變化的特性比內(nèi)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(shè)計方便性（6）低噪音2021/5/962021/5/97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(shè)施2021/5/98甲醇經(jīng)過重整,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：2021/5/99燃料電池大客車2、燃料電池車示例2021/5/910FuelCellBusofDaimler-Chrysler2021/5/9112021/5/9122021/5/913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，儲氫瓶壓力15MPa)燃料電池城市客車設(shè)計參數(shù)2021/5/914ChineseNationalFCBDemonstration超過8000km的道路行駛試驗2004年5月27日在天安門廣場展示2021/5/915整車造型與色彩設(shè)計2021/5/916整車性能指標性能指標試驗結(jié)果最高車速（km/h)86.4最大爬坡度（％）180→50km/h加速時間(s)30.90一次加氫(40km/h勻速)續(xù)駛里程(km)568.7(按35MPa計算）氫消耗量（kg/100km)4.848等效油耗（汽油L/100km)18.3加速車外噪聲（dB(A)）76.32021/5/917汽車爬坡試驗2021/5/9182021/5/919PerformancesMotorpower： 24kW(60kW)FCEpower： 30kWBattery： 50AHMaxspeed： 110km/hGradeability： >20％Acceleration： 15.9sRange： 220kmEfficient：0.98kg/100km2021/5/9202021/5/921二、燃料電池車結(jié)構(gòu)1、燃料電池車工作原理2021/5/9221、燃料電池車工作原理急劇加速狀態(tài)下，對應(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機驅(qū)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(dāng)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(fù)其能量。2021/5/9232、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)。2021/5/9242、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。2021/5/9252、燃料電池控制策略3）牽引模式若電動機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.若電動機輸入功率小于燃料電池系統(tǒng)預(yù)設(shè)的最小功率，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(qū)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(qū)動車輛。C.若負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，同時峰值電源不需要充電，則由燃料電池單獨驅(qū)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(qū)動車輛，另一部分功率用于向峰值電源充電。2021/5/9263、布置形式問題：成本、重量、耗氫、動態(tài)響應(yīng)、無法制動回收2021/5/927問題：電池、控制復(fù)雜2021/5/928問題：可回饋、性能優(yōu)、容量小2021/5/929問題：電池、系統(tǒng)復(fù)雜2021/5/930問題：對電池有利、飛輪2021/5/9314、整體結(jié)構(gòu)與設(shè)計2021/5/932混合動力燃料電池大客車原理2021/5/933電動車控制器2021/5/9342021/5/935系統(tǒng)構(gòu)型上海神力燃料電池130kW雙向DCDC放電：50kW充電：20kW鎳氫或鋰離子電池80~100Ah200～250V驅(qū)動電機額定100kW最大180kW目標樣車2021/5/936豐田燃料電池車市客車FCHV2021/5/937戴姆勒-克萊斯勒燃料電池城市客車2021/5/938燃料電池轎車2021/5/939三、燃料電池車的關(guān)鍵問題1、經(jīng)濟性節(jié)省耗氫，匹配優(yōu)化2、安全性技術(shù)難點：耗氫估計2021/5/940氫安全電安全結(jié)構(gòu)安全高電壓·大電流人體觸電防護電磁波對周邊影響氫泄漏·滯留氫易燃易爆性氫脆性高壓儲氫系統(tǒng)的碰撞保護高壓電系統(tǒng)的碰撞保護輕量化帶來的結(jié)構(gòu)強度問題2021/5/9412021/5/9422021/5/943照片1–時間:0分,0秒–氫燃料車輛在左邊，汽油車輛在右邊2021/5/944照片2–時間:0分,3秒–兩種燃料點火，氫流量2100SCFM，汽油流量680CC/min2021/5/945照片3–時間:1分,0秒，氫流量減退，汽油車火焰擴大2021/5/946照片4–時間:1分,30秒，2021/5/947照片5–時間:2分,20秒–內(nèi)部爆燃2021/5/948照片6–時間:2分,40秒–駕駛座側(cè)后輪胎爆裂2021/5/949照片7–時間:2分,40秒–駕駛座側(cè)后輪胎爆裂的殘片飛到乘客側(cè)2021/5/950抗沖擊測試（左邊是高空墜落，右邊是槍擊）2021/5/951高壓氫氣罐耐高溫測試抗沖擊測試后進行評估2021/5/952身體電流

(mA)電流持續(xù)時間

(ms)102501005001000100000.1105010050010001000020020500020001202005100Ω/V500Ω/V人體不會產(chǎn)生反應(yīng)的范圍不會產(chǎn)生有害的生理影響的范圍IEC60479-1直流電流對人體的影響對人體造成有害的生理影響的容許電流值為2mA~10mA為此必須確保在任何情況下電系統(tǒng)的絕緣阻抗值＞100Ω/Ｖ2021/5/9533、可靠性4、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2021/5/954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純氫要求99%99.999%99.9999%99.9999%99.9999%表2.3各儲氫方法對氫氣純度的要求2021/5/955