15.任務3-1 燃料電池汽車

新能源汽車概論課程架構模塊1純電動汽車模塊2混合動力汽車模塊3其他新能源汽車模塊3其他新能源汽車相關學習任務任務3-1燃料電池汽車任務3-2氣體燃料汽車任務3-3代用液體燃料汽車任務3-4其他清潔能源汽車任務3-1燃料電池汽車【任務引入】燃料電池汽車（FCV）是一種用車載燃料電池裝置產生的電力作為動力的汽車。車載燃料電池裝置所使用的燃料為高純度氫氣或含氫燃料經重整所得到的高含氫重整氣。FCV的關鍵是燃料電池。本學習任務主要學習燃料電池的結構原理，燃料電池系統組成、工作原理和車載氫氣系統安全措施。任務3-1燃料電池汽車主要學習內容一、燃料電池汽車發(fā)展歷史二、燃料電池三、燃料電池發(fā)電系統結構原理四、車載氫氣系統安全措施五、典型的氫燃料電池汽車學習目標1．知識目標①能夠正確描述燃料電池的基本結構原理、特點及應用于汽車的燃料電池種類。②能夠正確描述質子交換膜燃料電池的組成、各組成部分的作用及基本工作原理。③能夠正確描述燃料電池組的組成及各組成部分的作用。④能夠正確描述以氫為燃料的燃料電池發(fā)電系統和以甲醇為燃料的燃料電池發(fā)電系統的組成及各組成部分的功能。⑤能夠正確描述燃料電池汽車采用的電源復合結構種類及各類型電源復合結構的特點。⑥能夠正確描述燃料電池汽車混合動力系統的類型及各類型系統的特點。⑦能夠正確描述車載氫氣系統的安全裝置種類及各類型安全裝置的作用。學習目標2．能力目標①能夠根據具體的燃料電池汽車，簡單說明其特點。②能夠通過觀察，找出代表燃料電池汽車的典型部件。3．素質目標①具備勞動安全保護、理論與實際相結合的職業(yè)素養(yǎng)。②具備堅持可持續(xù)發(fā)展等綜合素養(yǎng)。開始學習一、燃料電池汽車發(fā)展歷史二、燃料電池三、燃料電池發(fā)電系統結構原理四、車載氫氣系統安全措施五、典型的氫燃料電池汽車一、燃料電池汽車發(fā)展歷史1.國外2.我國1.國外燃料電池汽車的發(fā)展歷史早在1994年，戴姆勒就開發(fā)出燃料電池汽車“NECARI”，隨后又推出它的姊妹車“NECAR2”。1997年秋在法蘭克福汽車展上，戴姆勒展出了“NECAR3”。1999年，戴姆勒-克萊斯勒汽車公司與福特汽車公司聯手研制成功的以液氫為動力的“NECAR4”2000年，戴姆勒-克萊斯勒公司宣布，已經開發(fā)出以甲醇為燃料電池汽車“NECAR5”和“JeepCommander2”。1.國外燃料電池汽車的發(fā)展歷史豐田汽車公司利用自己獨特特的燃料電池技術，試制出兩種類型的燃料電池樣車。一種是使用特殊的合金材料儲氫。另一種則是以甲醇為燃料，在車上完成從甲醇轉化為氫氣燃料的全過程。豐田的RAV4汽車使用了25kW燃料電池堆與鎳氫電池的混合裝置。大眾汽車公司也示范了一種以“高爾夫”車型為基礎的甲醇作燃料的混合型汽車。雷諾和標致、雪鐵龍汽車公司還示范了以PEMFC堆為動力的汽車，它們分別以車載貯存的液態(tài)和氣態(tài)氫為燃料。1.國外燃料電池汽車的發(fā)展歷史韓國也在2006年推出自主研發(fā)的第一代電堆，組裝30臺SUV和4輛大客車，進行示范運行。2009年至2012年開發(fā)第二代電堆，裝配100臺SUV。2013年開始生產車型為is35的千輛級燃料電池SUV。2015年推出第三代燃料電池SUV和客車。2016年底，豐田在日本建立100座氫燃料充注站。2017年，奔馳推出世界首款插電式燃料電池技術的量產車GLCFCellEQPower，其續(xù)行量程達483km。1.國外燃料電池汽車的發(fā)展歷史2014年6月10日，量產型的現代TucsonFCV正式登陸美國加州市場，于2017年5月份在英國上市。所以專家們將2014年定為燃料電池汽車的元年。1.國外燃料電池汽車的發(fā)展歷史在現階段，燃料電池汽車所用的燃料（氫氣）的大規(guī)模環(huán)保制備技術并未十分成熟。傳統的制氫工藝是通過電解水來獲得氫氣的，如果用于電解水的電能來自于燒煤發(fā)電，便存在碳排放，燃料電池汽車便失去了其存在的意義。除此以外，基礎設施建設也是制約燃料電池汽車發(fā)展的障礙。所以基礎設施建設及氫氣制備技術這兩方面對燃料電池汽車的普及有著至關重要的影響。一、燃料電池汽車發(fā)展狀況簡介1.國外2.我國2.我國燃料電池汽車的發(fā)展歷史從20世紀50年代開始，中國一直進行燃料電池相關技術的研究，但直到20世紀90年代，全球環(huán)境署支持在中國進行燃料電池公共汽車示范，中國對其產生了濃厚興趣。從那時起，中國在此方面有了很大進步。目前在中國有60多個機構在從事燃料電池的研究。2.我國燃料電池汽車的發(fā)展歷史1998年，清華大學在中國研制出了第一輛燃料電池汽車，該汽車是一輛高爾夫車，它靠一組5kW的燃料電池提供動力，由北京富源世紀燃料電池能源提供。1999年展示了電動轎車。這個團隊取得的標志性進展是北京富源正在測試的用于公共汽車發(fā)動機的140kW燃料電池堆。2.我國燃料電池汽車的發(fā)展歷史上海神力科技有限公司創(chuàng)建于1998年。在短短的時間里它示范了用40kW燃料電池的小公共汽車、汽車、摩托車和電動自行車?，F在正在研究在面包車上裝用80kW的質子交換膜燃料電池發(fā)電機。上海汽車集團與同濟大學合作研制的燃料電池發(fā)電機，以桑塔那2000為基礎，在2003年研制出超越1號燃料電池轎車，后續(xù)研制出超越二號。2.我國燃料電池汽車的發(fā)展歷史超越二號2.我國燃料電池汽車的發(fā)展歷史福田汽車和清華大學共同研發(fā)的燃料電池客車曾在2008年作為“奧運節(jié)能與新能源示范車”用于接載來自全世界的運動員。2006年，新一代燃料電池轎車動力系統技術平臺研制成功，并應用于Passat領馭等車型。2014年北京車展上，榮威950插電式氫燃料電池轎車正式發(fā)布，該車續(xù)行里程可達400km。2.我國燃料電池汽車的發(fā)展歷史通用汽車氫燃料電池車Sequel。2.我國燃料電池汽車的發(fā)展歷史通用Hy-wire氫動三號燃料電池車。2.我國燃料電池汽車的發(fā)展歷史2021年，第五屆國際氫能與燃料電池汽車大會上，紅旗H5-FCEV亮相，其動力系統采用氫燃料電機，額定功率為60kW，峰值功率為140kW，動力與2.0T燃油發(fā)動機差不多。2023年以來，我國多條氫能重卡跨區(qū)域物流干線啟動運營，多家企業(yè)也合作開放氫能重卡項目?？傮w來看，我國的燃料電池汽車研發(fā)開展得較早，部分車企與高校合作也做出了一些展示車，其中包括轎車和大巴車，但最終形成量產產品的車型并不多。大多數展示車只作為大型會議的賓客接送車之用，普及程度很低。繼續(xù)學習一、燃料電池汽車發(fā)展歷史二、燃料電池三、燃料電池發(fā)電系統結構原理四、車載氫氣系統安全措施五、典型的氫燃料電池汽車二、燃料電池1.概述（1）燃料電池工作原理簡單地說，燃料電池（FuelCell）是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發(fā)電裝置。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個蓄電池，但實質上它不能“儲電”，只能發(fā)電。二、燃料電池燃料電池工作原理1．概述單元燃料電池由陽極、陰極、電解質、隔膜和附件構成。1．概述（2）燃料電池特點①能量轉化效率高。②對環(huán)境污染小。③燃料適用范圍廣。④使用方便。⑤負荷響應快，運行質量高。1．概述（3）燃料電池種類燃料電池種類繁多，常見的分類方法是按參與反應的燃料制取方式分類，按此種分類方法，燃料電池可分為直接式、間接式和再生式3種。1．概述直接式燃料電池按工作溫度的高低可分為高、中、低三類。工作溫度在750℃以上的為高溫燃料電池；200℃～750℃的為中溫燃料電池；低于200℃的為低溫燃料電池。也有按溫度分為四類的，即25℃～100℃、l00℃～300℃、500℃～1000℃、l000℃以上。1．概述按照電解質類型的不同可分為：堿性燃料電池（AFC）、固態(tài)聚合物燃料電池（ESPFC，又稱“質子交換膜燃料電池”，PEMFC）、磷酸鹽燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）等。1．概述質子交換膜燃料電池在汽車上的應用二、燃料電池2.質子交換膜燃料電池（1）質子交換膜燃料電池的組成質子交換膜燃料電池由陽極（燃料極、氫電極）、陰極（空氣極、氧電極）、質子交換膜、冷卻水板和附件組成。二、燃料電池（2）子交換膜燃料電池的工作原理二、燃料電池燃料電池單體電壓只有0.7V左右，為了獲得足夠高的工作電壓，需將多個燃料電池單體串聯在一起，形成燃料電池堆。二、燃料電池（3）燃料電池系統燃料電池系統主要由電池堆、氫氣、氧氣供給裝置，增濕器及去離子水供給裝置，冷卻裝置，尾氣及生成物排放裝置組成。二、燃料電池低溫質子交換膜燃料電池根據輸入空氣的壓力分為常壓型和增壓型兩種類型。增加與常壓燃料電池比較二、燃料電池常壓式燃料電池系統有以下特點：①燃料極處直接用液態(tài)水對膜加濕，保證電解膜充分含水。②氧電極處供應近似常壓式的空氣，寄生功率損失小、系統效率高。③對氧電極供應的是不加濕的空氣流，系統不需要加濕模塊，流道中液態(tài)水量很少，所以壓力降很低。④為了去除氧電極處生成的水，供應給氧電極的空氣流量很大，所以不會積累大量的水。⑤通過直接蒸發(fā)流場中進入反應氣體里的水使燃料電池堆冷卻，使冷卻系統大大簡化。⑥由于是低壓系統，堆與系統的密封、管接頭、管道等容易處理。二、燃料電池電池類型比功率W／kg比能量W·h／kg快充性記憶性污染循環(huán)壽命次應用鉛酸13035W·h/kg18～24h充滿快充性差無有500～900小、微型電動車、電動大客車鎳鎘225551h充滿可快充有有2000混合動動力鎳氫20070～801h充滿可快充無無1000以上混合動力鋅空氣1001350幾分鐘無無100以上客貨電動車鋰3151202～4h充滿可快充無無1000各類電動車超級電容50002010s無無50萬次電動汽車復合電源飛輪電池1501000018min無無25年電動汽車復合電源燃料電池

7003min無無10年燃料電池汽車繼續(xù)學習一、燃料電池汽車發(fā)展歷史二、燃料電池三、燃料電池發(fā)電系統結構原理四、車載氫氣系統安全措施五、典型的氫燃料電池汽車三、燃料電池發(fā)電系統結構原理三、燃料電池發(fā)電系統結構原理1.以氫氣為燃料的燃料電池發(fā)電系統包括氫氣供應、管理和回收系統，氧氣供應和管理系統，水循環(huán)系統，電力管理系統等。三、燃料電池發(fā)電系統結構原理2．以甲醇為燃料的燃料電池系統在以甲醇為燃料的燃料電池系統中，用甲醇供應系統代替了上述的氫氣供應系統。系統包括：（1）甲醇儲存裝置（2）燃燒器、加熱器和蒸發(fā)器：將甲醇和水加熱生成高溫混合蒸氣。（3）改質器：提取氫。（4）氫氣凈化器：去除CO三、燃料電池發(fā)電系統結構原理3．燃料電池汽車電源復合結構（1）燃料電池+動力電池（FC＋B）結構三、燃料電池發(fā)電系統結構原理FC＋B結構基本布置情況三、燃料電池發(fā)電系統結構原理（2）燃料電池+動力電池+超級電容（FC＋B＋C）結構超級電容器具有大電流的充電和放電特性，恰好彌補了動力電池的不足，可以避免在回收制動反饋的能量時，電流過大造成的動力電池的熱失控和發(fā)生安全事故。三、燃料電池發(fā)電系統結構原理4.燃料電池汽車混合動力系統燃料電池汽車混合動力系統有單向DC/DC燃料電池混合動力系統和單、雙向兩DC/DC燃料電池混合動力系統兩種。（1）單向DC/DC燃料電池混合動力系統（能量混合動力系統）。三、燃料電池發(fā)電系統結構原理（2）單、雙向兩DC/DC燃料電池混合動力系統（功率混合型動力系統）。三、燃料電池發(fā)電系統結構原理5．FCEV的多電源電力總成控制策略（三級管理）燃料電池發(fā)電系統繼續(xù)學習一、燃料電池汽車發(fā)展歷史二、燃料電池三、燃料電池發(fā)電系統結構原理四、車載氫氣系統安全措施五、典型的氫燃料電池汽車四、車載氫氣系統安全措施行李艙兩個，報警值為三級（10-3，25%LEL）；乘坐艙兩個，報警值為一級或二級（10-3，25%LEL；5×10-3，12.5%LEL）。不銹鋼繼續(xù)學習一、燃料電池汽車發(fā)展歷史二、燃料電池三、燃料電池發(fā)電系統結構原理四、車載氫氣系統安全措施五、典型的氫燃料電池汽車五、典型氫燃料電池汽車1.本田系列氫燃料電池汽車2.奧迪Q5HFC3.奔馳B級燃料電池汽車4.超越系列燃料電池汽車5.豐田混合動力燃料電池大客車1.本田系列氫燃料電池汽車本田燃料電池車首次亮相于1999年，到現在其燃料電池汽車的發(fā)展已經發(fā)生了很大的變化。本田新一代的燃料電池汽車FCXClarity，以本田獨創(chuàng)的燃料電池堆“VFlowFCStack”技術為核心，實現了燃料電池車所特有的C02零排放。1.本田系列氫燃料電池汽車（1）動力系統布置結構1—儲氫罐；2—燃料電池堆；3—鋰電池；4—能量驅動單元；5—驅動電機1.本田系列氫燃料電池汽車（2）燃料電池堆燃料電池堆“VFlowFCStack”1.本田系列氫燃料電池汽車（3）動力電池組鋰離子電池作為一個補充電源，取代了在早期FCX原型車中的超級電容，其體積適合安放在車輛后部，從而節(jié)省了空間。（4）驅動電動機FCXClarity采用功率達100kW的交流永磁同步電動機，最大輸出扭矩為189N·m。五、典型氫燃料電池汽車1.本田系列氫燃料電池汽車2.奧迪Q5HFC3.奔馳B級燃料電池汽車4.超越系列燃料電池汽車5.豐田混合動力燃料電池大客車2.奧迪Q5HFC奧迪Q5HFC可在13.4s之內加速到100km／h，最高速度可達160km／h。氫氣的利用非常節(jié)約和高效，燃料電池的能量轉換效率可以達到50％以上。該車型實現了500km的最長行駛里程，而且其“加油”時間也不比采用傳統驅動系統的車型長。2.奧迪Q5HFC動力布置：前輪輪轂電機驅動1—燃料電池系統和驅動電機；2—燃料電池堆；3—氫氣供應系統；4—動力電池組；5—儲氫罐五、典型氫燃料電池汽車1.本田系列氫燃料電池汽車2.奧迪Q5HFC3.奔馳B級燃料電池汽車4.超越系列燃料電池汽車5.豐田混合動力燃料電池大客車3.奔馳B級燃料電池車奔馳B級F-Cell動力系統的性能要優(yōu)于2.0L發(fā)動機，并且擁有良好的燃油經濟性，其柴油消耗相當于3.3L/100km。其最