任務(wù)1 燃料電池汽車技術(shù)與結(jié)構(gòu)原理 課件講解

任務(wù)1燃料電池汽車技術(shù)與結(jié)構(gòu)原理項目五其他能源動力汽車建議課時：1課時燃料電池汽車作為零排放、零油耗被越來越多的汽車廠商所青睞。你作為一名新能源汽車專業(yè)的人員，你的主管讓你為客戶做一個關(guān)于燃料電池汽車的報告，你能勝任此項任務(wù)嗎？1.熟悉燃料電池的類型；2.掌握PEM燃料電池的結(jié)構(gòu)與工作原理；3.掌握燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與工作原理。1.能夠檢索市場上知名燃料電池汽車品牌，并歸納說明其功能差異。PEM燃料電池汽車燃料電池的介紹及類型工作準備氫氣的存儲PEM燃料電池實施步驟1.燃料電池的介紹及類型（1）氫能源與燃料電池氫在地球上屬于最豐富的元素之一，但是它不能以其自然形式存在，例如在大氣中，氫是和氧共同作用形成水存在的。氫需要消耗能量將它從自然界存在的形式中分離出來（2）燃料電池的優(yōu)點燃料電池產(chǎn)生電能，并且由于氫和氧提供電能給燃料電池，所以燃料電池本身不會產(chǎn)生任何碳排放，排放的只有水和熱量。燃料電池的能量也比一般內(nèi)燃機更高，由內(nèi)燃機提供動力的車輛效率只有15%~20%，而燃料電池車的效率能達到40%以上。此外，如果利用燃料電池作為汽車，其運動部件非常少，穩(wěn)定性更強。（3）燃料電池應(yīng)用于汽車存在的問題雖然目前很多汽車制造商開始設(shè)計和研發(fā)燃料電池汽車，并致力于提高燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計，但是沒有一款由燃料電池提供動力的汽車能夠大規(guī)模生產(chǎn)。原因包括有成本高、缺少加燃料的基礎(chǔ)設(shè)施，安全保障、汽車續(xù)航里程不足，以及不能夠經(jīng)久耐用和冷起動問題都影響和制約了燃料電池汽車的發(fā)展。2.PEM燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電過程不涉及氫氧燃燒，能量轉(zhuǎn)換率高，發(fā)電時不產(chǎn)生污染，發(fā)電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪聲。所以，質(zhì)子交換膜燃料電池是一種清潔、高效的綠色環(huán)保電源。在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使得質(zhì)子經(jīng)過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉(zhuǎn)移構(gòu)成回路，向外界提供電流。因此，質(zhì)子交換膜的性能對燃料電池的性能起著非常重要的作用，其性能的好壞，直接影響電池的使用壽命。（1）工作原理在原理上，質(zhì)子交換膜燃料電池相當(dāng)于電解水的“逆”裝置。其單電池由陽極、陰極和含催化劑涂層的質(zhì)子交換膜構(gòu)成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時，相當(dāng)于一個直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極，（2）燃料電池堆單個燃料電池本身沒有多少用途，因為它產(chǎn)生的電動勢小于1V。運用在汽車上的燃料電池通常是把數(shù)百個燃料電池組合在一起做成一個燃料電池堆。汽車用燃料電池堆由數(shù)百個單電池串聯(lián)而成（3）甲醇燃料電池由于采用氫作為燃料電池燃料時，存儲氫需要使用高壓氣缸的成本和安全性均不是很理想，因此另一種改進的PEM燃料電池方法是用液態(tài)甲醇替代氫氣。制造甲醇最常用的方法是用天燃氣合成甲醇，甲醇的化學(xué)式是CH3OH。它比氣態(tài)氫的能量密度更高，因為常溫下它以液態(tài)形式存在，無需使用壓縮機或其他高壓設(shè)備。直接甲醇燃料電池的加注方式與汽油車相似3.PEM燃料電池汽車燃料電池汽車是指以氫氣或甲醇等為燃料，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，依靠電動機驅(qū)動的汽車，其基本驅(qū)動原理如圖所示。（1）增濕器增濕器位于燃料電池系統(tǒng)盒內(nèi)，在通往電池堆陰極的空氣管道里面。PEM燃料電池的水管理系統(tǒng)非常重要，水太多會妨礙氧氣與正極接觸，水太少會讓電解質(zhì)變干，降低其電導(dǎo)性。燃料電池內(nèi)水的多少及其位置對確定燃料電池的啟動溫度有多低也很重要，因為水在燃料電池內(nèi)會結(jié)冰阻礙電池的啟動。增濕器的作用是平衡，通過讓正在陰極蒸發(fā)的水分循環(huán)給燃料電池提供充足的水分。（2）燃料電池冷卻系統(tǒng)正常工作過程中燃料電池會產(chǎn)生熱量。余熱會導(dǎo)致聚合物電解質(zhì)膜損壞，所以必須用液體冷卻系統(tǒng)把余熱從燃料電池堆中帶走。本田FCX冷卻傳動機構(gòu)（3）空氣泵在所有行駛條件下，必須以適當(dāng)壓力和流速給燃料電池堆送風(fēng)使電池堆正常工作。車載空氣泵把大氣壓縮后輸送給燃料電池的正極就能達成此功效。（4）二次電池混合動力汽車設(shè)計能提高帶傳統(tǒng)傳動機構(gòu)汽車的效率，因為制動及其他正常運行過程中損失的能量存儲起來以后可以供高壓電池或超級電容器使用。在燃料電池汽車中設(shè)計二次電池，可以提高汽車的駕駛性能。因為電存儲設(shè)備能夠立即提供能量給驅(qū)動電機，并且克服了燃料電池部分的加速滯后情況。（5）燃料電池驅(qū)動電機用于燃料電池汽車的驅(qū)動電機與目前混合動力汽車內(nèi)的驅(qū)動電機非常相似，普通驅(qū)動電機以交流同步設(shè)計為基礎(chǔ)，有時也用直流無刷電機。交流電機不使用換向器或者電刷，取而代之的是三相定子和永磁轉(zhuǎn)子。用逆變器產(chǎn)生電機需要的三相高壓交流電。雖然電機本身結(jié)構(gòu)簡單，單絲起動和控制系統(tǒng)卻相對復(fù)雜。（6）驅(qū)動橋除氫燃料外，燃料電池汽車的高效純節(jié)能還體現(xiàn)在電傳動技術(shù)上。燃料電池汽車使用的驅(qū)動電機，只要簡單地減小它們的最終傳動，然后用一個差速器把動力輸送到主動輪。無須換擋，完全取消了如液力變矩器、離合器等機構(gòu)。也不用倒車檔，只需要把反向供電給驅(qū)動電機即可以實現(xiàn)。用于燃料電池汽車的驅(qū)動橋非常簡單，幾乎沒有運動件，這使它極其耐用、安靜及穩(wěn)定。（7）電源控制單元（PCU）燃料電池汽車的傳動機構(gòu)由電源控制單元（PCU）控制，它控制燃料電池的輸出功率，并讓電在各種不同部件之間流動。充當(dāng)逆變器就是PCU的作用之一，它把燃料電池堆輸出的直流電轉(zhuǎn)變成三相交流電，供汽車的驅(qū)動電機使用。再生制動過程中，驅(qū)動電機充當(dāng)發(fā)電機，將汽車的動能轉(zhuǎn)變成高壓電池組充電的電能。PCU必須將電機的三相交流電壓轉(zhuǎn)變成直流電壓輸送給電池，燃料電池輸出的直流電也通過PCU的控制給高壓電池組充電。4.典型的燃料電池汽車（1）本田燃料電池汽車本田FCX自1999年首次發(fā)布“FCX-V1”燃料電池試驗車后，先后經(jīng)過了“FCX-V2”、“FCX-V3”、“FCX-V4”和“FCX”5代艱苦的開發(fā)歷程。本田FCX車型1）FCX的重要部件a.動力控制單元（PCU）PCU結(jié)構(gòu)更加的緊湊，置于電動機之上。這樣裝置，在前部受到撞擊時，可以保護一些高壓的部件。b.集成的電動機和變速器裝配緊湊的設(shè)計，讓這套組合進入到小型車內(nèi)成為可能。c.超級電容位置微斜置于后座位之后，確保足夠的行李艙空間。d.后車架結(jié)構(gòu)雙段式后車架，包含一個副車架，有效的在撞擊時保護儲氫罐。2）本田FCX的運行模式a.起步和加速時輸出由燃料電池堆和超級電容提供。超級電容在極短的時間內(nèi)輔助燃料電池達到最大的性能。起步和加速時b.輕微加速和巡航時輸出只由燃料電池提供。燃料電池負責(zé)給電動機提供必須的動力，電容不用輔助。輕微加速和巡航時c.減速時能量被回收存儲在超級電容里。超級電容能回收在制動時產(chǎn)生的能量，有效地提高能源效率。減速時d.停車時怠速停車。自動怠速停車系統(tǒng)將切斷從燃料電池輸送過來的輸出，以節(jié)省燃料消耗。系統(tǒng)在感應(yīng)到駕駛?cè)瞬倏v的起步信號后，可迅速由燃料電池和超級電容協(xié)同提供所需的動力。停車時（2）奔馳B級F-Cell燃料電池車在2005年的日內(nèi)瓦車展上，當(dāng)年的戴姆勒·克萊斯勒作為燃料電池驅(qū)動的先行者，發(fā)布了新一代燃料電池汽車：奔馳B級燃料電池車，從而將燃料電池汽車家族的車型范圍拓展到運動旅行車。作為一款適合旅行、家庭和休閑的汽車，B級車采用了奔馳創(chuàng)新的夾層式車身結(jié)構(gòu)，這種獨特的設(shè)計，非常便于應(yīng)用燃料電池動力系統(tǒng)。B級燃料電池車的高轉(zhuǎn)矩電動機，能輸出超過100kW的功率，比前一代A級“F-Cell”的功率高出35kW。在這驚人的技術(shù)數(shù)據(jù)背后，暗示著B級燃料電池車充滿活力的駕駛感受與零排放運行的完美融合。（3）通用燃料電池汽車車型基于歐寶賽飛利的“氫動三號”燃料電池汽車，由200塊相互串聯(lián)在一起的燃料電池單元組成的燃料電池堆產(chǎn)生電力。燃料電池堆所產(chǎn)生的電能傳遞給電動機后，通過功率為60kW的三相異步電動機驅(qū)動車輛行駛，幾乎不產(chǎn)生任何噪音?！皻鋭尤枴?~100km/h的加速時間約為16s，最高時速達到150km/h。氫儲存罐分為兩種，一種罐為內(nèi)儲存的是溫度為-253℃的液態(tài)氫，另一種罐為內(nèi)儲存的是承受最高壓力可達70MPa（700bar）的壓縮氫。一次充氣行駛里程分別可達400km和270km。正常著裝無燃料電池工作示教板，或燃料電池工作模型無1.根據(jù)實訓(xùn)中心的燃料電池示教版，分析并說明示教版所示燃料電池的類型、以及燃料電池的工作原理。2.檢索資料，查找當(dāng)前市場上典型的燃料電池汽車，并歸納相應(yīng)品牌燃料電池汽車涉及的以下信息：（1）燃料電池汽車的技術(shù)發(fā)展。（2）燃料電池汽車所采用的燃料電池類型。（3）燃料電池汽車的基本結(jié)構(gòu)。

1.氫氣的存儲（1）背景燃料電池汽車面臨的一個難題是怎樣在車上存儲足夠的氫氣來讓汽車能有合理的行駛里程。氫氣的能量比很好，但是它的能量密度小于傳統(tǒng)的液體燃料，即使在高壓情況下，其物理密度也很小。例如早起的通用汽車一款燃料電池汽車使用了3個儲氫罐。（2）改進存儲方式1）高壓壓縮氣體目前大多數(shù)燃料電池汽車使用壓縮氫氣，它以高壓氣體的形式存儲在儲氫罐內(nèi)。一般會用多個小存儲罐而不是用一個大的，原因是這樣能夠把它們布置在車輛的多個空間中。這種方式的缺點是要求在壓力下，只能用氣缸存儲氣體。這樣的氣缸外面產(chǎn)生大量未用空間，導(dǎo)致進一步減小氫氣的存儲容量。用高壓儲氫罐一般是由幾層碳纖維鋁套筒包起來制做而成的，罐外層是一層纖維玻璃。與傳統(tǒng)汽車的加油過程不同，燃料電池汽車用一個特殊的高壓配件給壓縮氫氣存儲罐加氫氣。2）液氫使氫氣液化以達到提高其能量密度的目的，但是這要求液氫存儲在-253℃的低溫罐內(nèi)。這樣能夠提高汽車的續(xù)航里程，但是降低了總的工作效率，因為液化氫氣需要大量的能量，存儲時還會存在蒸發(fā)現(xiàn)象。3）固態(tài)氫目前發(fā)現(xiàn)以固態(tài)形式存儲氫的一種方法是以金屬氫化物的形式存儲，與鎳金屬電池的工作方式相似。（1）燃料電池就是氫動力電池，是一種把氫氧化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的電化學(xué)裝置。（2）最合適汽車使用的燃料電池是PEM電池，也稱為質(zhì)子交換膜電池。（3）制造甲醇最常用的方法是用天燃氣合成甲醇，常溫下它以液態(tài)形式存在。（4）電容器是一種能阻止直流電、允許交流電通過的電氣設(shè)備。電容器也能利用正負電荷之間的靜電吸引存儲電能。（5）燃料電池汽車的傳動機構(gòu)由電源控制單元（PCU）控制。（1）燃料電池本身不會產(chǎn)生任何碳排放，排放的只有水和熱量。（對）（2）燃料電池工作中，氫氣直接被輸送到正極，氧氣直接被輸送到負極。（錯）（3）燃料電池產(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)移很快，無需使用散熱器。（錯）（4）大多數(shù)燃料汽車設(shè)計中用鎳氫電池作為二次電池。（對）（5）除氫燃料外，燃料電池汽車的高效純節(jié)能還體現(xiàn)在電傳動技術(shù)上。（對）（1）燃料電池是通過____和_____產(chǎn)生電？(C)A.汽油/氧氣B.氮氣/氧氣C.氫/氧D.水/氧（2）燃料電池的排放物是？(A)A.水B.二氧化碳C.一氧化碳D.非甲烷烴1.氫能源與燃料電池是什么關(guān)系？什么是燃料電池?2.燃料電池有什么優(yōu)點？