燃料電池電動(dòng)汽車(chē)課件-

料燃電池電動(dòng)汽車(chē)目錄CONENTS組成及特性01.優(yōu)勢(shì)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(guò)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(chēng)。本質(zhì)是氧化還原反應(yīng)，燃料通過(guò)陽(yáng)極側(cè)進(jìn)入，空氣或氧氣通過(guò)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(lèi)及應(yīng)用通常按照不同的電解質(zhì)類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)：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(dòng)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(duì)成熟，現(xiàn)在已經(jīng)可以作為車(chē)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(guò)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(chē)燃料電池工作原理。商用車(chē)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(yáng)極．雙極板上開(kāi)有溝槽，突出部分用于收集電流，凹下部分為氣體的流動(dòng)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(lái)源廣泛，可以從可再生能源獲得，不依賴(lài)石油燃料；4）運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)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(duì)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(wèn)題；6）在低溫啟動(dòng)，能量回收技術(shù)及循環(huán)壽命上，燃料電池汽車(chē)也接近于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的性能。特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)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(dòng)汽車(chē)在本質(zhì)上是一種零排放汽車(chē)，燃料電池沒(méi)有燃燒過(guò)程，若以純氫作燃料，通過(guò)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(chē)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(méi)有其他污染排放（如氧化氮、氧化硫、碳?xì)浠锘蛭⒘＃﹩?wèn)題，接近零排放。與傳統(tǒng)汽車(chē)相比既減少了機(jī)油泄漏帶來(lái)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(méi)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(guò)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(chē)整車(chē)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(lái)源廣泛，自然界中，氫能大量存儲(chǔ)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(lái)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(lài)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(duì)石油資源的依賴(lài)，優(yōu)化了交通能源的構(gòu)成。④續(xù)駛里程長(zhǎng)，性能優(yōu)于其他電池的電動(dòng)汽車(chē)。采用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為能量源，克服了純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程短的缺點(diǎn)，其長(zhǎng)途行駛能力及動(dòng)力性已經(jīng)接近于傳統(tǒng)汽車(chē)。燃料電池汽車(chē)可以車(chē)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(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)。優(yōu)點(diǎn)⑤過(guò)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(guò)載能力可達(dá)額定功率的200%或更大，更適合于汽車(chē)的加速、爬坡等工況．燃料電池的短時(shí)過(guò)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(wú)其他運(yùn)動(dòng)部件，因此與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相比，擺脫了馬達(dá)的轟鳴，運(yùn)行過(guò)程中噪聲和振動(dòng)都較小。①燃料電池汽車(chē)的制造成本和使用成本過(guò)高。制約燃料電池汽車(chē)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(chē)燃料的供應(yīng)還有大量的技術(shù)問(wèn)題有待解決。②啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，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(lái)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(wú)污染地獲取純氫燃料還存在技術(shù)難點(diǎn)。通過(guò)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(méi)有從根本上擺脫對(duì)化石能的依賴(lài)，也沒(méi)有從根本上消除對(duì)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(dòng)汽車(chē)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(duì)鉑金的消耗量，地球上所有的鉑金儲(chǔ)量都用來(lái)制作車(chē)用燃料電池，也只能滿(mǎn)足幾百萬(wàn)輛車(chē)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(shuō)技術(shù)和成本是科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)通過(guò)努力可以自行解決的問(wèn)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(guó)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(wèn)題，又要解決投資和經(jīng)營(yíng)者的獲利問(wèn)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(wèn)題。缺點(diǎn)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀03目前，所有領(lǐng)先的汽車(chē)制造廠都在積極開(kāi)發(fā)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，并且許多國(guó)家在燃料電池的研究方面取得了可喜的成績(jī)。如今，燃料電池的功率密度已超過(guò)1.1kW/L。同時(shí)，燃料電池還可用于固定式、便攜式和船用動(dòng)力等非運(yùn)輸車(chē)應(yīng)用環(huán)境。這些開(kāi)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(kāi)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(chǔ)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(kāi)發(fā)工作的重點(diǎn)是降低成本和開(kāi)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(dòng)力的汽車(chē)將會(huì)得到廣泛使用。?巴拉德（Ballard）汽車(chē)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(dòng)公共汽車(chē)樣車(chē)。1994年，戴姆勒克萊斯勒公司就開(kāi)發(fā)出了燃料電池汽車(chē)“NECAR1在1997年秋的法蘭克福汽車(chē)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(chē)。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(chē)“Mirai”（意為“未來(lái)”），并率先在日本上市。2014年新能源汽車(chē)萬(wàn)里行”活動(dòng)中，榮威750燃料電池汽車(chē)以其動(dòng)力強(qiáng)勁且操控性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，成為了國(guó)內(nèi)氫燃料電池汽車(chē)技術(shù)的代表。2016年2月，英國(guó)的RiversimpleMovement公司發(fā)布了一款小型氫動(dòng)力燃料電池汽車(chē)Rasa,其定位為一臺(tái)輕型、大眾化、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的小型車(chē)。國(guó)際上燃料電池汽車(chē)的發(fā)展?fàn)顩r車(chē)用燃料電池出貨量快速增長(zhǎng)氫燃料電池及氫燃料電池汽車(chē)的研發(fā)與商業(yè)化應(yīng)用在日本、美國(guó)、歐洲迅速發(fā)展，美日韓德等國(guó)巨頭車(chē)企的燃料電池汽車(chē)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(tái)，較2017年增加4000臺(tái)；裝機(jī)容量達(dá)到800MW，較2017年增加145MW。其中約10%用于汽車(chē)中，而2014年僅3%左右。國(guó)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(guó)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(guó)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(chǔ)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(duì)外開(kāi)放，其余加氫站只能為特定用戶(hù)提供服務(wù)，如公共汽車(chē)及車(chē)隊(duì)客戶(hù)。國(guó)際上整體來(lái)看：核心技術(shù)不斷進(jìn)步，但是與國(guó)際領(lǐng)先水平差距較大。整車(chē)開(kāi)發(fā)方面，目前，我國(guó)已經(jīng)初步掌握整車(chē)、動(dòng)力系統(tǒng)與核心部件的核心技術(shù)并具有整車(chē)生產(chǎn)能力。但是，在燃料電池汽車(chē)車(chē)型平臺(tái)開(kāi)發(fā)方面，以上汽股份、上海大眾、一汽、長(zhǎng)安、奇瑞等公司為代表開(kāi)發(fā)的燃料電池轎車(chē)均基于傳統(tǒng)內(nèi)燃車(chē)或純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行改制，尚未掌握燃料電池汽車(chē)專(zhuān)用車(chē)身、底盤(pán)開(kāi)發(fā)、底盤(pán)動(dòng)力學(xué)主動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)。車(chē)載儲(chǔ)氫和供氫技術(shù)方面我國(guó)基本掌握了35MPa高壓儲(chǔ)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(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)，但某些關(guān)鍵閥門(mén)、管路、傳感器等國(guó)內(nèi)尚停留在研究或小批量階段，仍依賴(lài)進(jìn)口。70MPa氫氣存儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)已取得突破，III型儲(chǔ)氫瓶已有批量產(chǎn)品，但閥門(mén)、管路等關(guān)鍵部件仍然處在研發(fā)階段，制約了我國(guó)低成本燃料電池乘用車(chē)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。國(guó)內(nèi)在供氫方面國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)出可滿(mǎn)足60kW以?xún)?nèi)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)需求的引射式供氫組件產(chǎn)品，而對(duì)于回氫泵，尚未掌握其核心技術(shù)。燃料電池用無(wú)油空壓機(jī)方面雪人股份通過(guò)股權(quán)收購(gòu)的方式取得了雙螺桿空壓機(jī)的核心技術(shù)，德燃動(dòng)力通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的方式已掌握可滿(mǎn)足60kW以?xún)?nèi)燃料電池發(fā)動(dòng)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(kāi)發(fā)工作。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、壽命和環(huán)境適應(yīng)性方面，在車(chē)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(dòng)溫度為-20℃，這與國(guó)外的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)相比，尚有差距，制約了我國(guó)燃料電池汽車(chē)的商業(yè)化推廣。國(guó)內(nèi)現(xiàn)實(shí)事例04豐田Mirai燃料電池汽車(chē)本田ClarityFuelCell豐田Mirai燃料電池汽車(chē)——整車(chē)豐田Mirai燃料電池汽車(chē)——子系統(tǒng)01燃料電池堆

02儲(chǔ)能電池

03

高壓儲(chǔ)氫氣罐

04

驅(qū)動(dòng)電機(jī)和FC升壓變頻電機(jī)

05

動(dòng)力控

制裝置

豐田Mirai燃料電池汽車(chē)—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(chǔ)能電池，用于吸收燃料電池組輸出剩余的電能和車(chē)輛行駛過(guò)程中回收的電能，供汽車(chē)急加速或車(chē)載電池使用。儲(chǔ)能電池豐田Mirai燃料電池汽車(chē)—子系統(tǒng)FC升壓變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)TFCS系統(tǒng)中，燃料電池發(fā)出的電能還需要經(jīng)過(guò)升壓變頻器的升壓才能供給電動(dòng)機(jī)使用，最大輸出電壓為650V。動(dòng)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(zhǎng)寬高分別4915mm/1875mm/1480mm，軸距則是2750mm。在ClarityFuelCell相對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)之下，是一套突破傳統(tǒng)的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，以及儲(chǔ)氫罐和鋰電池。本田ClarityFuelCell——兩級(jí)電動(dòng)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(jí)電動(dòng)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?cè)谌剂想姵丶夹g(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(huì)更長(zhǎng)一些。它們最大的區(qū)別在于動(dòng)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(wèn)題，因此，大規(guī)模使用收到阻礙。但隨著國(guó)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，碳能源向氫能源的轉(zhuǎn)變將是未來(lái)能源轉(zhuǎn)型的大趨勢(shì)，氫燃料電池也將從新能源汽車(chē)、分布式發(fā)電等各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)它的價(jià)