第四章-燃料电池电动汽车的基本组成和结构

1、第 四 章 燃料电池车的基本组成和结构现代电动汽车技术主要内容n概述n燃料电池车的结构n燃料电池车的关键问题1、燃料电池介绍 燃料电池燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断的转化成电能的化学装置。化剂中的化学能连续不断的转化成电能的化学装置。车用两种：车用两种： 2002 年年1 月月9 日，日， 美国能源部宣布新的汽车研究美国能源部宣布新的汽车研究项目，项目，项目，长期目标是实现高效、价廉、项目，长期目标是实现高效、价廉、无污染：研究先进、高效的燃料电池技术，用氢燃料作无污染：研究先进、高效的燃料电池技术，用氢燃料作动力，不产生任何污染。该项目继续

2、对电动汽车进行专动力，不产生任何污染。该项目继续对电动汽车进行专项研究，但是重点是发展氢燃料电池电动汽车。项研究，但是重点是发展氢燃料电池电动汽车。 eHH222OHe2H2O2122OHO21H222阳极：阳极： 阴极：阴极： 电池总反应：电池总反应： 质子交换膜燃料电池单体主要由质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极（阳膜电极（阳极、阴极）、质子交换膜和集流板极、阴极）、质子交换膜和集流板组成。组成。其具体反应步骤为：经增湿后的其具体反应步骤为：经增湿后的H2和和O2分别进入阳极分别进入阳极室和阴极室，经电极扩散层扩散到达催化层和质子交换室和阴极室，经电极扩散层扩散到达催化层和质子交换膜的界面

3、，分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应：膜的界面，分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应：质子交换膜燃料电池的反应原理质子交换膜燃料电池的反应原理 阳极反应生成的质子（阳极反应生成的质子（H H+ +）通过质子交换膜传导到达）通过质子交换膜传导到达阴极，阳极反应产生的电子通过外电路到达阴极。生成的阴极，阳极反应产生的电子通过外电路到达阴极。生成的水以水蒸汽或冷凝水的形式由过剩的阴极反应气体从阴极水以水蒸汽或冷凝水的形式由过剩的阴极反应气体从阴极室排出。室排出。燃料电池的优势：（1）效率高，燃料电池的化学反应不受卡诺循环的限制，理论上能量效率可接近80，实际效率已达5070%。（2）清洁无污染。（

4、3）效率随输出功率变化的特性好，燃料电池的效率在额定功率附近可达60，部分功率下运行时效率会高于额定功率下的效率，可达约70%，过载功率下运行时效率略低于额定功率的效率，可达5055。燃料电池的效率随输出功率变化的特性比内燃机更适合于汽车的实际运行。（4）过载能力强，燃料电池的短时过载能力可达200的额定功率，更适合于汽车的加速、爬坡等工况。（5）设计方便性（6）低噪音燃料电池的不足：燃料电池的不足：1、压缩氢气存储空间问题。2、存储的安全性及系统效率。3、氢燃料的供给设施甲醇经过重整甲醇经过重整, , 重整产物为氢气、碳氧化物。重整产物为氢气、碳氧化物。甲醇在重整器中发生的反应如下：甲醇在重

5、整器中发生的反应如下：燃料电池大客车燃料电池大客车2、燃料电池车示例、燃料电池车示例 Fuel Cell Bus of Daimler-ChryslerFuel Cell Bus of Daimler-Chrysler外形尺寸 (mm):11,0702,4903,420 满载总质量 (kg)：15,000载客数（人）：50最高车速 (km/h)：70最大爬坡度：15%加速性能 (050km/h)：30s续驶里程 (km)： 200 (40km/h匀速，储氢瓶压力15MPa)Chinese National FCB Demonstration 超过超过8000km 8000km 的的道路行驶试验

6、道路行驶试验20042004年年5 5月月2727日在天日在天安门广场展示安门广场展示整车造型与色彩设计整车性能指标性能指标性能指标试验结果试验结果最高车速（最高车速（km/h)86.4最大爬坡度（）最大爬坡度（）18050km/h加速时间加速时间(s)30.90一次加氢一次加氢(40km/h匀速匀速)续驶里程续驶里程(km)568.7(按按35MPa计算）计算）氢消耗量（氢消耗量（kg/100km)4.848等效油耗（汽油等效油耗（汽油L/100km)18.3加速车外噪声（加速车外噪声（dB(A)）76.3汽车爬坡试验Performances Motor power：24kW (60 kW)

7、FCE power： 30 kWBattery ： 50AHMax speed： 110 km/hGrade ability ： 20Acceleration：15.9sRange ： 220 kmEfficient： 0.98 kg/100km1、燃料电池车工作原理、燃料电池车工作原理1、燃料电池车工作原理、燃料电池车工作原理急剧加速状态下，对应于峰值功率指令，燃料电池系统与峰值电源两者都向电动机驱动装置供给牵引功率；在制动状态下，电动机运行于发电机状态，将部分制动能量变换为电能，并储存在峰值电源中；当负载功率小于燃料电池系统的额度功率时，峰值电源也能从燃料电池系统补充、恢复其能量。2、燃料

8、电池控制策略、燃料电池控制策略功能：1）电动机的输出功率始终满足功率要求；2）峰值电源的能级始终维持在最佳范围；3）燃料电池系统运行在其最佳运行区。2、燃料电池控制策略、燃料电池控制策略1）停顿模式燃料电池系统和峰值电源都不向驱动系供给功率，燃料电池系统可运行在空载状态。2）制动模式燃料电池系统运行在空载状态，而峰值电源依据制动系统运行特性吸收再生制动能量。2、燃料电池控制策略、燃料电池控制策略3）牵引模式A.若电动机输入功率大于燃料电池系统的额定功率，则应用混合牵引模式。燃料电池系统运行在其额定功率状态，而剩余的功率的功率需求由峰值电源供应。B. 若电动机输入功率小于燃料电池系统预设的最小功

9、率，且峰值电源需要充电，则燃料电池系统以额定功率运行，一部分功率用于驱动系，另一部分功率用于峰值电源。弱峰值电源不需要充电，则燃料电池系统运行于空载状态，由峰值电源单独驱动车辆。C. 若负载功率大于燃料电池锁预设的最小功率，并小于燃料电池的额度功率，同时峰值电源不需要充电，则由燃料电池单独驱动车辆。若峰值电源需要充电，则燃料电池系统以额度功率运行，其一部分功率用于驱动车辆，另一部分功率用于向峰值电源充电。3、布置形式、布置形式问题：成本、重量、耗氢、动态响应、无法制动回收问题：成本、重量、耗氢、动态响应、无法制动回收问题：电池、控制复杂问题：电池、控制复杂问题：可回馈、性能优、容量小问题：可回

10、馈、性能优、容量小问题：电池、系统复杂问题：电池、系统复杂问题：对电池有利、飞轮问题：对电池有利、飞轮4、整体结构与设计、整体结构与设计混合动力燃料电池大客车原理混合动力燃料电池大客车原理电动车控制器系统构型系统构型上海神力上海神力燃料电池燃料电池130kW双向双向DCDC放电：放电：50kW充电：充电：20kW镍氢或锂离子电池镍氢或锂离子电池80100Ah200250V驱动电机驱动电机额定额定100kW最大最大180kW目标样车目标样车丰田燃料电池车市客车丰田燃料电池车市客车FCHV 戴姆勒戴姆勒-克莱斯勒燃料电池城市客车克莱斯勒燃料电池城市客车 燃料电池轿车燃料电池轿车1、经济性、经济性节

11、省耗氢，匹配优化2、安全性、安全性技术难点：耗氢估计氢安全氢安全电安全电安全结构安全结构安全高电压高电压大电流大电流人体触电防护人体触电防护电磁波对周边影响电磁波对周边影响氢泄漏氢泄漏滞留滞留氢易燃易爆性氢易燃易爆性氢脆性氢脆性高压储氢系统的碰撞保护高压储氢系统的碰撞保护高压电系统的碰撞保护高压电系统的碰撞保护轻量化带来的结构强度问题轻量化带来的结构强度问题照片照片 1 时间时间: 0分分, 0 秒秒 氢燃料车辆在左边，汽氢燃料车辆在左边，汽油车辆在右边油车辆在右边 照片照片 2 时间时间: 0分分, 3 秒秒 两种燃料点火，氢流两种燃料点火，氢流量量2100SCFM，汽油流量，汽油流量680

12、CC/min照片照片 3 时间时间: 1分分, 0 秒，氢流量减退，汽油车火秒，氢流量减退，汽油车火焰扩大焰扩大照片照片4 时间时间: 1分分, 30 秒，秒，照片照片 5 时间时间: 2 分分, 20 秒秒 内部爆燃内部爆燃 照片照片 6 时间时间: 2 分分, 40 秒秒 驾驶座侧后轮胎爆裂驾驶座侧后轮胎爆裂50照片照片 7 时间时间: 2 分分, 40 秒秒 驾驶座侧后轮胎驾驶座侧后轮胎爆裂的残片飞到乘客侧爆裂的残片飞到乘客侧抗冲击测试（左边是高空坠落，右边是枪击）抗冲击测试（左边是高空坠落，右边是枪击） 高压氢气罐耐高温测试高压氢气罐耐高温测试 抗冲击测试后进行评估抗冲击测试后进行评估

13、 身体电流 (mA)电流持续时间 (ms)10250 1005001000100000.1105010050010001000020020500020001202005100/V500/V人体不会产生反应的范围不会产生有害的生理影响的范围IEC 60479-1p 对人体造成有害的生理影响的容许电流值为对人体造成有害的生理影响的容许电流值为2mA10mAp 为此必须确保在任何情况下电系统的绝缘阻抗值为此必须确保在任何情况下电系统的绝缘阻抗值100/3、可靠性、可靠性4、供氢供氢 （1）车载制氢（2）车载纯氢 1）高压氢气储存2）液态氢储存3）金属氢化物储氢4）活性炭吸附贮氢5）碳纳米材料贮氢存氢方法高压氢液 氢金属储氢活性炭纳米碳管氢气纯度纯氢高纯氢超纯氢超纯氢超