燃料電池電動汽車課件-

料燃電池電動汽車目錄CONENTS組成及特性01.優(yōu)勢和缺點(diǎn)02.發(fā)展歷程及現(xiàn)狀03.現(xiàn)實(shí)事例04.總結(jié)05.組成及特性01燃料電池工作原理燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置的統(tǒng)稱。本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)，燃料通過陽極側(cè)進(jìn)入，空氣或氧氣通過陰極側(cè)進(jìn)入，二者在電解質(zhì)兩側(cè)分別發(fā)生氫氧化反應(yīng)與氧化還原反應(yīng)，電子流經(jīng)外電路做功，從而產(chǎn)生電能。

CREATIVEReadMore燃料電池分類及應(yīng)用通常按照不同的電解質(zhì)類型進(jìn)行分類：堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。發(fā)展速度最快的是堿性燃料電池，主要作為航天飛機(jī)的動力電源；磷酸燃料電池作為中型電源應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化階段，是民用燃料電池的首選；熔融碳酸鹽燃料電池目前已完成工業(yè)試驗(yàn)階段；固體氧化物燃料電池的發(fā)展起步較晚，但它是發(fā)電領(lǐng)域最有發(fā)展前途的技術(shù)；質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)展相對成熟，現(xiàn)在已經(jīng)可以作為車輛和小型發(fā)電裝置使用。燃料電池有兩個(gè)電極，分別是由正極和負(fù)極（燃料電極是負(fù)極而氧化劑電極是正極）以及電解質(zhì)組成。氫-氧燃料電池反應(yīng)是電解水的逆過程：負(fù)極：H2+2OH-→2H2O+2e-（1）正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-（2）圖1為氫燃料電池工作原理示意圖。（3）圖2為商用車燃料電池工作原理。商用車燃料電池的結(jié)構(gòu)分析質(zhì)子交換膜燃料電池堆是由幾十到幾百個(gè)單電池構(gòu)成的，其中一個(gè)單電池主要由膜電極和雙極板等部件構(gòu)成的。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。

PEMFC的工作原理一個(gè)PEMFC本體由若干個(gè)電池單體組成．而電池單體主要包括質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層、雙極板．質(zhì)子交換膜與催化層可構(gòu)成三合一膜電極組件進(jìn)一步與氣體擴(kuò)散層可構(gòu)成五合一膜組件．膜組件的中心是質(zhì)子交換膜，其兩側(cè)是催化劑層和擴(kuò)散層，形成電池的陰極和陽極．雙極板上開有溝槽，突出部分用于收集電流，凹下部分為氣體的流動通道．PEMFC中的質(zhì)子交換膜一般多為固態(tài)聚合物，催化劑為Pt/C或Pt-Ｒu/C，燃料為氫氣或者凈化重整氣，氧化劑為空氣或者純氧．PEMFC的工作原理如圖1所示．

3）氫燃料來源廣泛，可以從可再生能源獲得，不依賴石油燃料；4）運(yùn)行平穩(wěn)，無噪聲；1）能量轉(zhuǎn)化效率高：燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率為內(nèi)燃機(jī)的2~3倍；2）零排放，不污染環(huán)境：燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水；

5）對比鋰電池，燃料電池可以保留人們的駕駛習(xí)慣，它解決了鋰電池的續(xù)航能力和快速補(bǔ)能問題；6）在低溫啟動，能量回收技術(shù)及循環(huán)壽命上，燃料電池汽車也接近于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的性能。特點(diǎn)優(yōu)勢和缺點(diǎn)02優(yōu)點(diǎn)①零排放或近似零排放，綠色環(huán)保。燃料電池電動汽車在本質(zhì)上是一種零排放汽車，燃料電池沒有燃燒過程，若以純氫作燃料，通過電化學(xué)的方法，將氫和氧結(jié)合，生成物是清潔的水；采用其他富氫有機(jī)化合物用車載重整器制氫作為燃料電池燃料，生成物除水之外還可能有少量C02，但排放量比內(nèi)燃機(jī)要少得多，且沒有其他污染排放（如氧化氮、氧化硫、碳?xì)浠锘蛭⒘＃﹩栴}，接近零排放。與傳統(tǒng)汽車相比既減少了機(jī)油泄漏帶來的水污染，又降低了溫室氣體的排放。②能量轉(zhuǎn)換效率高，節(jié)約能源。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率極高。燃料電池沒有活塞或渦輪等機(jī)械部件及中間環(huán)節(jié)，不經(jīng)歷熱機(jī)過程，不受熱力循環(huán)（卡諾循環(huán)）限制，故能量轉(zhuǎn)換效率高，燃料電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率在理論上可達(dá)100%，實(shí)際效率已達(dá)60%～80%，是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的2～3倍（汽油機(jī)和柴油機(jī)汽車整車效率分別為16%-18%和22%～24%）。優(yōu)點(diǎn)③燃料多樣化，優(yōu)化了能源消耗結(jié)構(gòu)。燃料電池所使用的氫燃料來源廣泛，自然界中，氫能大量存儲在水中，可采用水分解制氫，也可以從可再生能源獲得，可取自天然氣、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。燃料來源的多樣化有利于能源供應(yīng)安全和利用現(xiàn)有的交通基礎(chǔ)設(shè)施（如加油站等）。燃料電池不依賴石油燃料，各種可再生能源可以轉(zhuǎn)化為氫能加以有效利用，減少了對石油資源的依賴，優(yōu)化了交通能源的構(gòu)成。④續(xù)駛里程長，性能優(yōu)于其他電池的電動汽車。采用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為能量源，克服了純電動汽車?yán)m(xù)駛里程短的缺點(diǎn)，其長途行駛能力及動力性已經(jīng)接近于傳統(tǒng)汽車。燃料電池汽車可以車載發(fā)電，只要帶上足夠的燃料，它可以把我們送到任何想去的地方。燃料電池電動汽車在成本和整體性能上（特別是行程和補(bǔ)充燃料時(shí)間上）明顯優(yōu)于其他電池的電動汽車。優(yōu)點(diǎn)⑤過載能力強(qiáng)。燃料電池除了在較寬的工作范周內(nèi)具有較高的工作效率外，其短時(shí)過載能力可達(dá)額定功率的200%或更大，更適合于汽車的加速、爬坡等工況．燃料電池的短時(shí)過載能力可達(dá)200%的額定功率。⑥運(yùn)行平穩(wěn)、低噪聲。燃料電池屬于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，除了空氣壓縮機(jī)和冷卻系統(tǒng)以外無其他運(yùn)動部件，因此與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，擺脫了馬達(dá)的轟鳴，運(yùn)行過程中噪聲和振動都較小。①燃料電池汽車的制造成本和使用成本過高。制約燃料電池汽車推廣應(yīng)用的最大因素之一是燃料電池的生產(chǎn)成本一直居高不下。④氫燃料電池汽車燃料的供應(yīng)還有大量的技術(shù)問題有待解決。②啟動時(shí)間長，系統(tǒng)抗震能力還需提高。⑤供應(yīng)燃料輔助設(shè)備復(fù)雜，且質(zhì)量和體積較大在以甲醇或者汽油為燃料的FCEV中，經(jīng)重整器出來的“粗氫氣”含有使催化劑“中毒”失效的少量有害氣體③經(jīng)濟(jì)且無污染地獲取純氫燃料還存在技術(shù)難點(diǎn)。通過重整或改質(zhì)技術(shù)轉(zhuǎn)化傳統(tǒng)的化石燃料獲取純氫天然氣，不僅要消耗大量的能量，而且并沒有從根本上擺脫對化石能的依賴，也沒有從根本上消除對環(huán)境的污染。缺點(diǎn)⑥稀有金屬鉑金Pt被大量應(yīng)用也制約著燃料電池電動汽車的推廣應(yīng)用。稀有金屬鉑金作為燃料電池必不可少的反應(yīng)催化劑，按照現(xiàn)有燃料電池對鉑金的消耗量，地球上所有的鉑金儲量都用來制作車用燃料電池，也只能滿足幾百萬輛車的需求。⑦加氫站等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)幾乎為零，目前全球范圍內(nèi)投入使用的加氫站僅有100多家，且大部分是用于實(shí)驗(yàn)用途的。如果說技術(shù)和成本是科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)通過努力可以自行解決的問題，那么相應(yīng)的配套設(shè)施建設(shè)則不是舉一人之力可以完成的，需要國家政策、產(chǎn)業(yè)鏈條、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等多方面的準(zhǔn)備，并及時(shí)制定完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，既涉及城市規(guī)劃、交通、電力等問題，又要解決投資和經(jīng)營者的獲利問題，同時(shí)還要有效解決加氫的核心技術(shù)和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等問題。缺點(diǎn)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀03目前，所有領(lǐng)先的汽車制造廠都在積極開發(fā)燃料電池發(fā)動機(jī)技術(shù)，并且許多國家在燃料電池的研究方面取得了可喜的成績。如今，燃料電池的功率密度已超過1.1kW/L。同時(shí)，燃料電池還可用于固定式、便攜式和船用動力等非運(yùn)輸車應(yīng)用環(huán)境。這些開發(fā)項(xiàng)目所生成的協(xié)同作用將加快燃料電池在所有應(yīng)用領(lǐng)域中的開發(fā)進(jìn)程，并將大幅度降低燃料電池的生產(chǎn)成本。燃料電池技術(shù)雖已取得快速發(fā)展，但要使其裝載使用達(dá)到規(guī)模，仍有一些難題需要解決，例如氫的制取、儲存及攜帶成本高、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資大等。當(dāng)前研究和開發(fā)工作的重點(diǎn)是降低成本和開發(fā)大規(guī)模制造工藝。隨著燃料電池的體積功率和質(zhì)量功率的逐步提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，制造材料和工藝的進(jìn)一步改進(jìn)和完善，以燃料電池作動力的汽車將會得到廣泛使用。?巴拉德（Ballard）汽車公司是PEMFC燃料電池技術(shù)領(lǐng)域中全球領(lǐng)先的公司。1993年巴拉德公司推出了世界上第一輛使用燃料電池的電動公共汽車樣車。1994年，戴姆勒克萊斯勒公司就開發(fā)出了燃料電池汽車“NECAR1在1997年秋的法蘭克福汽車展上，戴姆勒克萊斯勒公司展岀了“NECAR3”，功率密度可達(dá)1000W/L,是世界上第一輛使用甲醇重整制氫裝置的燃料電池汽車。C12月15日,豐田發(fā)布了全球第一款實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的氫燃料電池汽車“Mirai”（意為“未來”），并率先在日本上市。2014年新能源汽車萬里行”活動中，榮威750燃料電池汽車以其動力強(qiáng)勁且操控性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，成為了國內(nèi)氫燃料電池汽車技術(shù)的代表。2016年2月，英國的RiversimpleMovement公司發(fā)布了一款小型氫動力燃料電池汽車Rasa,其定位為一臺輕型、大眾化、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型車。國際上燃料電池汽車的發(fā)展?fàn)顩r車用燃料電池出貨量快速增長氫燃料電池及氫燃料電池汽車的研發(fā)與商業(yè)化應(yīng)用在日本、美國、歐洲迅速發(fā)展，美日韓德等國巨頭車企的燃料電池汽車已經(jīng)量產(chǎn)或即將量產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全球燃料電池總體出貨量預(yù)計(jì)達(dá)到75000臺，較2017年增加4000臺；裝機(jī)容量達(dá)到800MW，較2017年增加145MW。其中約10%用于汽車中，而2014年僅3%左右。國際上氫燃料基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善世界主要發(fā)達(dá)國家從資源、環(huán)保等角度出發(fā)，都十分看重氫能的發(fā)展，各國氫能源的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃都在有條不紊的進(jìn)行中。在制氫、儲氫、加氫等環(huán)節(jié)持續(xù)創(chuàng)新，氫能和燃料電池已在一些細(xì)分領(lǐng)域初步實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，同時(shí)加氫站也在持續(xù)建設(shè)和發(fā)展。根據(jù)H2網(wǎng)站公布的數(shù)據(jù)，截止2018年底，全球加氫站數(shù)目達(dá)到了369座，年度新增48座，其中273座對外開放，其余加氫站只能為特定用戶提供服務(wù)，如公共汽車及車隊(duì)客戶。國際上整體來看：核心技術(shù)不斷進(jìn)步，但是與國際領(lǐng)先水平差距較大。整車開發(fā)方面，目前，我國已經(jīng)初步掌握整車、動力系統(tǒng)與核心部件的核心技術(shù)并具有整車生產(chǎn)能力。但是，在燃料電池汽車車型平臺開發(fā)方面，以上汽股份、上海大眾、一汽、長安、奇瑞等公司為代表開發(fā)的燃料電池轎車均基于傳統(tǒng)內(nèi)燃車或純電動汽車進(jìn)行改制，尚未掌握燃料電池汽車專用車身、底盤開發(fā)、底盤動力學(xué)主動控制等關(guān)鍵技術(shù)。車載儲氫和供氫技術(shù)方面我國基本掌握了35MPa高壓儲氫罐和加注系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高壓氫氣瓶等部件國產(chǎn)化開發(fā)，但某些關(guān)鍵閥門、管路、傳感器等國內(nèi)尚停留在研究或小批量階段，仍依賴進(jìn)口。70MPa氫氣存儲關(guān)鍵技術(shù)已取得突破，III型儲氫瓶已有批量產(chǎn)品，但閥門、管路等關(guān)鍵部件仍然處在研發(fā)階段，制約了我國低成本燃料電池乘用車的開發(fā)進(jìn)程。國內(nèi)在供氫方面國內(nèi)已開發(fā)出可滿足60kW以內(nèi)燃料電池發(fā)動機(jī)需求的引射式供氫組件產(chǎn)品，而對于回氫泵，尚未掌握其核心技術(shù)。燃料電池用無油空壓機(jī)方面雪人股份通過股權(quán)收購的方式取得了雙螺桿空壓機(jī)的核心技術(shù)，德燃動力通過自主開發(fā)的方式已掌握可滿足60kW以內(nèi)燃料電池發(fā)動機(jī)用空壓機(jī)技術(shù)，另外清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校也這些方面進(jìn)行了大量研究和開發(fā)工作。燃料電池發(fā)動機(jī)可靠性、壽命和環(huán)境適應(yīng)性方面，在車載工況下，目前的使用壽命在3600小時(shí)左右，大約3000km需要進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，冷啟動溫度為-20℃，這與國外的燃料電池發(fā)動機(jī)相比，尚有差距，制約了我國燃料電池汽車的商業(yè)化推廣。國內(nèi)現(xiàn)實(shí)事例04豐田Mirai燃料電池汽車本田ClarityFuelCell豐田Mirai燃料電池汽車——整車豐田Mirai燃料電池汽車——子系統(tǒng)01燃料電池堆

02儲能電池

03

高壓儲氫氣罐

04

驅(qū)動電機(jī)和FC升壓變頻電機(jī)

05

動力控

制裝置

豐田Mirai燃料電池汽車—子系統(tǒng)燃料電池堆為了提高效率，Mirai后備箱中有一塊鎳氫儲能電池，用于吸收燃料電池組輸出剩余的電能和車輛行駛過程中回收的電能，供汽車急加速或車載電池使用。儲能電池豐田Mirai燃料電池汽車—子系統(tǒng)FC升壓變頻器驅(qū)動電機(jī)TFCS系統(tǒng)中，燃料電池發(fā)出的電能還需要經(jīng)過升壓變頻器的升壓才能供給電動機(jī)使用，最大輸出電壓為650V。動力控制裝置本田ClarityFuelCell——結(jié)構(gòu)外形在設(shè)計(jì)上，本田ClarityFuelCell比較傳統(tǒng)，不像豐田Mirai那樣特色鮮明。它的長寬高分別4915mm/1875mm/1480mm，軸距則是2750mm。在ClarityFuelCell相對傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)之下，是一套突破傳統(tǒng)的燃料電池動力系統(tǒng)，以及儲氫罐和鋰電池。本田ClarityFuelCell——兩級電動增壓器為了給燃料電池堆提供充足的氧氣，ClarityFuelCell首次應(yīng)用了兩級電動增壓器，供氣效率比傳統(tǒng)的氣泵高了很多。豐田MiraiVS本田ClarityFuelCell它們在燃料電池技術(shù)方面處于同一水平?；蛟S是由于風(fēng)阻較小的原因，本田ClarityFuelCell的續(xù)航里程會更長一些。它們最大的區(qū)別在于動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局。豐田Mirai的燃料電池堆位于前排座椅下方，而本田ClarityFuelCell的燃料電池堆位于前艙中，集成化程度要更高一些?？偨Y(jié)應(yīng)急預(yù)案先后順序其他想法05目前，氫燃料電池還面臨著成本高、氫能供應(yīng)設(shè)施不完善等問題，因此，大規(guī)模使用收到阻礙。但隨著國家不斷地支持，燃料電池與氫能技術(shù)在快速的發(fā)展，并有望實(shí)現(xiàn)2020年示范運(yùn)行，2030年大規(guī)模推廣運(yùn)用，2050年普及應(yīng)用的目標(biāo)。

長遠(yuǎn)來看，碳能源向氫能源的轉(zhuǎn)變將是未來能源轉(zhuǎn)型的大趨勢，氫燃料電池也將從新能源汽車、分布式發(fā)電等各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)它的價(jià)