新能源汽車認(rèn)知與應(yīng)用-第2版-項目3-燃料電池與其他能源動力汽車

新能源汽車認(rèn)知與應(yīng)用第2版

項目3燃料電池與其他能源動力汽車單元一燃料電池汽車結(jié)構(gòu)《新能源汽車認(rèn)知與應(yīng)用》教學(xué)目標(biāo)專業(yè)能力1、能夠描述燃料電池的應(yīng)用；2、能夠描述燃料電池的類型與工作原理；3、能夠描述燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與工作原理；4、能夠描述典型的燃料電池汽車的特點。應(yīng)用能力1、養(yǎng)成做事細心、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)；2、提高合作意識和創(chuàng)新精神；3、養(yǎng)成良好的安全意識、責(zé)任意識、6S管理意識，注重節(jié)約、節(jié)能和環(huán)保。學(xué)習(xí)目錄1燃料電池的應(yīng)用2燃料電池的類型與工作原理3燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與工作原理4典型的燃料電池汽車介紹燃料電池的應(yīng)用

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。在很多自然界的礦物中也能找到氫，例如天然氣、煤、石油等。要把氫存儲起來用作燃料，必須進行一系列工序把這些物質(zhì)分離出來。學(xué)習(xí)內(nèi)容氫存在的形式燃料電池就是氫動力電池，氫是一種優(yōu)質(zhì)燃料，與等量的化石燃料相比，它的比能非常高。1kg氫的能量是1kg汽油能量的3倍。燃料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。學(xué)習(xí)內(nèi)容典型燃料電池外觀燃料電池的應(yīng)用

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%，而燃料電池汽車的效率能達到40%以上。此外，如果利用燃料電池作為汽車動力來源，其運動部件非常少，穩(wěn)定性更強。學(xué)習(xí)內(nèi)容燃料電池的應(yīng)用3.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。在這種布置中，燃料電池串聯(lián)在一起，這樣的電池堆的總電壓是每個單電池電壓的總和。學(xué)習(xí)內(nèi)容汽車用燃料電池堆由數(shù)百個單電池串聯(lián)而成燃料電池的應(yīng)用

4.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?yán)m(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。學(xué)習(xí)內(nèi)容燃料電池的應(yīng)用

1.燃料電池類型燃料電池的類型很多，主要的區(qū)別在于所用的電解質(zhì)種類不同。有些電解質(zhì)常溫下運行效果很好，而有些需要在溫度高達900℃的情況下才能正常工作。學(xué)習(xí)內(nèi)容燃料電池的類型與工作原理常見的燃料電池類型

PAFC磷酸燃料電池PEM質(zhì)子交換膜燃料電池MCFC熔融碳酸鹽燃料電池SOFC固態(tài)氧化物燃料電池電解質(zhì)磷酸磺酸聚合物鋰、鉀碳酸鹽穩(wěn)態(tài)釔氧化鋯燃料天燃氣、氫天燃氣、氫天燃氣、合成氣天燃氣、合成氣工作溫度182~210℃80~100℃593~704℃649~1815℃電效率40%30~40%43~44%50~60%制造商ONSI公司艾維斯塔、PP公司等IHI、日立、西門子霍尼韋爾公司應(yīng)用固定電源汽車、移動電源工業(yè)及公共電源固定電源

2.質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理最合適汽車使用的燃料電池是質(zhì)子交換膜電池，也稱為PEM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。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。

學(xué)習(xí)內(nèi)容燃料電池的類型與工作原理在原理上，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(fù)極，陰極為電源正極。學(xué)習(xí)內(nèi)容PEM電池工作原理示意圖燃料電池的類型與工作原理氫氣直接被輸送到負(fù)極，氧氣直接被輸送到正極。氫以分子的形式被輸送至負(fù)極，在有催化劑的情況下氫氣被分解成H+離子（質(zhì)子）。通過外電路輸送氫原子的電子（e-）產(chǎn)生用于進行工作的電。然后，這些相同的電子被送到正極，通過膜返回的H+離子在有催化劑的情況下，在正極與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水和熱量。學(xué)習(xí)內(nèi)容燃料電池的類型與工作原理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。學(xué)習(xí)內(nèi)容甲醇燃料電池用甲醇取代了氫氣作為燃料燃料電池的類型與工作原理制造甲醇最常用的方法是用天燃氣合成甲醇，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。使用液態(tài)取代高壓氣體給燃料汽車加燃料，這樣的過程將更加簡單，幾乎類似與添加汽油的車輛添加汽油一樣。甲醇本身有腐蝕性，這使得甲醇不能存儲在現(xiàn)有的燃油箱中，需要建立一個單獨處理和存儲甲醇的基礎(chǔ)設(shè)施。學(xué)習(xí)內(nèi)容直接甲醇燃料電池的加注方式與汽油車相似燃料電池的類型與工作原理燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與工作原理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。燃料電池車輛是無污染汽車，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機要高2~3倍，燃料電池汽車是一種理想的新能源汽車。學(xué)習(xí)內(nèi)容燃料電池汽車驅(qū)動原理圖燃料電池汽車的主要結(jié)構(gòu)是燃料電池堆及相應(yīng)的附屬裝置，右圖所示為本田FCX燃料電池汽車的動力傳動示意圖。學(xué)習(xí)內(nèi)容燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與工作原理其各個部件的功能是：

（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。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。學(xué)習(xí)內(nèi)容燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與工作原理

（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。燃料電池產(chǎn)生的熱屬于低品位熱能，在冷卻液與周圍空氣之間的溫度差別很小，這種情況下，熱轉(zhuǎn)移會很慢，必須用表面積非常大的散熱器。本田FCX用一個大散熱器冷卻燃料電池，兩個小散熱器冷卻傳動機構(gòu)。學(xué)習(xí)內(nèi)容燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與工作原理

（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。學(xué)習(xí)內(nèi)容燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與工作原理

1）高壓電池大多數(shù)燃料汽車設(shè)計中用鎳氫電池作為二次電池，通常安裝在汽車后部，二次電池的構(gòu)造與燃料電池堆相似，由很多單個電池串并聯(lián)構(gòu)成一個高壓電池組。高壓電池組學(xué)習(xí)內(nèi)容燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與工作原理

2）超級電容器電池中存儲電能的另一種形式是超級電容器。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。然而，電容器也能利用正負(fù)電荷之間的靜電吸引存儲電能。

超級電容器能夠快速、高效地充放電，這個特點使得超級電容器很適合使用在燃料電池汽車上作為輔助二次電池用。超級電容器模塊及單個電池的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)內(nèi)容燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與工作原理

（6）驅(qū)動橋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。學(xué)習(xí)內(nèi)容驅(qū)動橋總成燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與工作原理

（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。豐田燃料電池車輛電源控制單元控制各個部件之間電流關(guān)系學(xué)習(xí)內(nèi)容燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.本田燃料電池汽車2002年12月2日，本田同時向日本政府和美國洛杉磯市政府交付了首批FCX，成為世界上第一家實現(xiàn)商品化銷售的燃料電池車生產(chǎn)廠家。典型的燃料電池汽車介紹學(xué)習(xí)內(nèi)容本田FCX車型

（1）FCX的重要部件1）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。2）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。學(xué)習(xí)內(nèi)容本田FCX重要部件側(cè)視圖典型的燃料電池汽車介紹

3）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。

4）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。本田FCX重要部件俯視圖學(xué)習(xí)內(nèi)容典型的燃料電池汽車介紹

5）散熱器。由于采用了緊湊的電動機和變速器，因此可以使用一個更大的燃料電池系統(tǒng)散熱器，微斜置于車頭的兩側(cè)還安裝了稍小的散熱器，供驅(qū)動系統(tǒng)散熱。

6）燃料電池系統(tǒng)外箱。外箱包括燃料電池堆及其他動力生成部件，位于地板之下，以保證足夠的車艙空間。

7）高壓儲氫罐。位于后座之下，以確保足夠的行李艙空間。8）后懸架。懸架的安裝與高壓儲氫罐和副車架保持一致，易于安裝。混合動力(比亞迪秦)汽車發(fā)動機艙特征學(xué)習(xí)內(nèi)容典型的燃料電池汽車介紹

9）組合儀表本田FCX的儀表與傳統(tǒng)汽車相比，主要增加有超級電容容量顯示和超級電容充電顯示，并同時顯示出動力輸出顯示。本田FCX儀表學(xué)習(xí)內(nèi)容典型的燃料電池汽車介紹

（2）本田FCX的運行模式

1）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。起步和加速時學(xué)習(xí)內(nèi)容典型的燃料電池汽車介紹

2）輕微加速和巡航時輸出只由燃料電池提供。燃料電池負(fù)責(zé)給電動機提供必須的動力，電容不用輔助。輕微加速和巡航時學(xué)習(xí)內(nèi)容典型的燃料電池汽車介紹

3）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。減速時學(xué)習(xí)內(nèi)容典型的燃料電池汽車介紹

4）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。停車時學(xué)習(xí)內(nèi)容典型的燃料電池汽車介紹

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。

2009年底，B級燃料電池車型正式投入批量生產(chǎn)，首批200臺于2010年初交付歐洲和美國市場上的消費者。奔馳燃料電池F-Cell汽車結(jié)構(gòu)圖學(xué)習(xí)內(nèi)容典型的燃料電池汽車介紹

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。通用汽車燃料電池汽車結(jié)構(gòu)圖學(xué)習(xí)內(nèi)容典型的燃料電池汽車介紹單元二其他能源動力汽車《新能源汽車認(rèn)知與應(yīng)用》教學(xué)目標(biāo)專業(yè)能力1、能夠描述燃氣汽車的類型；2、能夠描述生物燃料汽車的燃料類型；3、能夠描述氫氣汽車的組成結(jié)構(gòu)與工作原理；4、能夠描述典型的替代燃料汽車的特點。應(yīng)用能力1、養(yǎng)成做事細心、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)；2、提高合作意識和創(chuàng)新精神；3、養(yǎng)成良好的安全意識、責(zé)任意識、6S管理意識，注重節(jié)約、節(jié)能和環(huán)保。學(xué)習(xí)目錄1燃氣汽車的類型與特點2生物燃料汽車的類型與特點3氫氣汽車的特點、組成與工作原理4太陽能電動汽車的組成與工作原理典型的替代燃料汽車5燃氣汽車的類型與特點以可燃氣體為燃料的汽車稱為燃氣汽車。目前常用的燃氣汽車有壓縮天然氣汽車（CNGV）、液化天燃氣汽車（LNGV）、液化石油氣汽車（LPGV）。它們分別以壓縮天然氣、液化天燃氣和液化石油氣為燃料。也有與傳統(tǒng)汽油、柴油配合使用的，稱為雙燃料汽車。其中，氫氣汽車（HICEV）則是正在研發(fā)的最有前景的燃氣汽車。學(xué)習(xí)內(nèi)容

1.壓縮天然氣汽車（CNGV）壓縮天然氣汽車（CompressedNaturalGasVehicle，簡稱CNGV）使用的燃料是壓縮的天然氣，是天然氣壓縮到20MPa并以氣態(tài)儲存在容器中。

它的主要成分是甲烷（CH4），無色、無味、無毒、無腐蝕性、易燃易爆、燃燒充分、不留炭黑和雜質(zhì)，被譽為“綠色燃料”。學(xué)習(xí)內(nèi)容壓縮天燃氣汽車CNGV主要結(jié)構(gòu)燃氣汽車的類型與特點

2.液化天然氣汽車（LNGV）液化天然氣汽車（LiquefiedNaturalGasVehicle，簡LNGV）使用的燃料是液化的天然氣，是天然氣經(jīng)過超低溫深冷到-162℃形成的，成分與壓縮天然氣相同，其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600。液體密度約450kg/m3。學(xué)習(xí)內(nèi)容

LNG目前更多的是運用于商用車燃氣汽車的類型與特點

使用CNGV和LNGV汽車的優(yōu)點有：

（1）有害氣體排放低。（2）熱效率高。

（3）冷起動性和低溫運轉(zhuǎn)性能良好。在暖機期間無需加濃混合氣。（4）可以燃用稀混合氣。

（5）延長潤滑油更換周期。學(xué)習(xí)內(nèi)容燃氣汽車的類型與特點存在的不足有：（1）燃氣的儲運性能差。因為天然氣在常溫、常壓下是氣體，所以體積大，儲運性能差。

（2）一次充氣的續(xù)駛里程短。動力性能有所下降。

（3）LNG的制取比CNG要更復(fù)雜，而且在常溫下只有保持在-162℃以下才能呈現(xiàn)為液態(tài)，故LNG的氣瓶和傳輸管路需要具有良好的絕熱性能，其設(shè)計制造相當(dāng)復(fù)雜，成本較高。學(xué)習(xí)內(nèi)容燃氣汽車的類型與特點

3.液化石油氣汽車（LPGV）液化石油氣汽車（LiquefiedPetroleumGas，簡稱LPGV）使用的燃料是液化的石油氣，是從石油中提煉出來的，主要成分是丙烷。學(xué)習(xí)內(nèi)容LPG的加注狀態(tài)和上面的加注口燃氣汽車的類型與特點

生物燃料（bio-fuel）就是由生物原料生產(chǎn)的燃料，這些生物原料包括農(nóng)林產(chǎn)品或其副產(chǎn)品、工業(yè)廢棄物、生活垃圾等。農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)的碳水化合物是目前的主要生物原料，生物燃料一般是指生物液體燃料，最廣泛的運用是醇類燃料和生物柴油。學(xué)習(xí)內(nèi)容生物燃料汽車的類型與特點

1.醇類燃料使用醇類燃料（甲醇、乙醇等）的汽車統(tǒng)稱為醇燃料汽車。使用甲醇燃料的汽車也稱甲醇汽車，使用乙醇（酒精）燃料的汽車也稱乙醇汽車，同時使用甲醇或乙醇與汽油的汽車也稱為靈活燃料汽車。

醇類燃料主要以玉米、小麥、薯類、糖或植物等為原料，經(jīng)發(fā)酵、蒸餾而制成，再經(jīng)過進一步脫水和不同形式的處理后成為醇類燃料。學(xué)習(xí)內(nèi)容獲得乙醇的常見方法生物燃料汽車的類型與特點醇類燃料一般不會直接用來當(dāng)汽車燃料，而是按一定的比例與汽油混合在一起使用，這有利于增加燃料的辛烷值。乙醇汽油是通常用90%的普通汽油與10%的燃料乙醇調(diào)和而成。它可以有效改善油品的性能和質(zhì)量，降低一氧化碳、碳氫化合物等主要污染物排放。學(xué)習(xí)內(nèi)容2006年福特推出的F-250SuperChief概念車生物燃料汽車的類型與特點

2.生物柴油生物柴油是指以油料作物、野生油料植物和微藻等水生植物油脂以及動物油脂、餐飲垃圾油等為原料油通過酯交換工藝制成的可替代石化柴油的再生性柴油燃料。麻風(fēng)樹作為我國西南亞熱帶植物，是重要的生物柴油提取原料。根據(jù)不同的生產(chǎn)方法，1T麻風(fēng)樹果仁最多可以制造出超過300L生物柴油。學(xué)習(xí)內(nèi)容麻風(fēng)樹生產(chǎn)生物柴油生物燃料汽車的類型與特點

1.氫氣汽車的特點氫氣汽車則是直接將氫氣噴入氣缸燃燒，推動曲柄連桿機構(gòu)，驅(qū)動汽車運動，是將氫氣化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為機械能。

氫氣燃燒生成水，所以氫氣汽車是一種真正實現(xiàn)零排放的交通工具。然而，雖然氫氣的來源廣泛，但是氫氣的提取需要消耗大量能源，成本高，并且氫燃料的存儲和運輸都較為困難，這些制約了氫氣汽車的發(fā)展。學(xué)習(xí)內(nèi)容氫氣汽車的特點、組成與工作原理

2.氫氣汽車的組成與工作原理氫氣汽車與傳統(tǒng)汽車不同主要在燃料供給系統(tǒng)。主要由氫氣儲存裝置、高壓電磁閥、過濾器、減壓閥和壓力表、氫氣流量計量裝置、電控單元和傳感器、氫氣噴射器，以及輸送氫氣的氫氣無縫金屬管等組成。其中電控系統(tǒng)由各種傳感器如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、加速踏板位置、氫氣壓力和溫度等傳感器和控制ECU組成。學(xué)習(xí)內(nèi)容氫氣汽車燃料供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)氫氣汽車的特點、組成與工作原理工作時，氫氣電磁閥打開，氫氣從儲氫罐出來，經(jīng)過過濾器、電磁閥到減壓器減壓