燃料电池汽车

项目四燃料电池汽车学习目标

理解燃料电池汽车的基本概念，熟悉燃料电池的

工作原理

了解燃料电池的类型

了解燃料电池汽车的优缺点学习任务描述燃料电池也是电池，那么燃料电池汽车与电动汽车的区别是什么？燃料电池作为汽车的动力来源，它是如何工作的？学习任务1.燃料电池汽车基础知识2.燃料电池汽车的工作原理与结构3.燃料电池汽车的实例学习任务1.燃料电池汽车基础知识2.燃料电池汽车的工作原理与结构3.燃料电池汽车的实例引导问题1：什么是燃料电池汽车？（视频：氢燃料汽车）燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。其核心部件是燃料电池，燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。引导问题2：燃料电池汽车有哪些优缺点？与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：1）燃料电池的能量转换效率极高。2）零排放或近似零排放。3）车辆性能接近内燃机汽车。4）结构简单、运行平稳

燃料电池与内燃机效率对比引导问题2：燃料电池汽车有哪些优缺点？虽然氢燃料电池汽车在环保方面有很大的优势，但是它还处于发展的初级阶段。如限制其发展的主要因素有：1）生产成本高目前，不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还有碳水化合物经过重整后转换的氢是燃料电池的唯一燃料。氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求很高。燃料电池的燃料的生产、运输、储存等成本较高。2）使用配套不足由于氢燃料的生产、储存、运输等都存在一定的安全隐患，因此加氢站等基础网络设施建设相对落后，这制约着燃料电池汽车的推广。3）需要配备辅助电池系统

燃料电池可以持续发电，但不能充电和回收再生制动的反馈能量。通常在燃料电池汽车上须增加辅助电池，来储存燃料电池富裕的电能和在燃料电池汽车减速时接受再生制动时的能量。引导问题3：燃料电池的基本原理？燃料电池的组成及其反应特征燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。二个电极被一个位于它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上，催化剂，常用来加速电化学反应。引导问题4：燃料电池有哪些类型？根据不同分类形式，燃料电池可分为多种：1按电解质类型分类常分为：碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，AFC）、磷酸燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）、质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembrane，PEMFC）以及甲醇燃料电池等。2按燃料电池发展分类把磷酸燃料电池称为第一代燃料电池，把熔融碳酸盐燃料电池称为第二代燃料电池，把固体氧化物燃料电池称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。3按燃料电池工作温度分类把碱性燃料电池、固体高分子型质子膜燃料电池和磷酸型燃料电池称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池和固体氧化型燃料电池称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。引导问题5：各种燃料电池工作原理1质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为：①电催化剂；②电极（阴极与阳极）；③质子交换膜；④双极板。基本构成为：电池本体、辅助系统（包括燃料及氧化剂的循环回路，湿度、温度及压力的监控，产物水的输出及热交换装置等）和燃料及氧化剂的储存（或制造）系统。在实际应用中，还有电池的安全系统和功率调节系统。引导问题5：各种燃料电池工作原理2碱性燃料电池碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，其结构基本与质子交换膜燃料电池相似，但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。碱性燃料电池结构图碱性燃料电池的工作温度大约

。因此起动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的，因此可用于小型的固定发电装置。引导问题5：各种燃料电池工作原理3磷酸燃料电池磷酸燃料电池采用的是100%磷酸电解质，其常温下是固体，相变温度是42℃。氢气燃料被加入到阳极，在催化剂作用下被氧化成为质子。氢质子和水结合成水合质子，同时释放出两个自由电子。电子向阴极运动，而水合质子通过磷酸电解质向阴极移动，如下图所示。因此，在阴极上，电子、水合质子和氧气在催化剂的作用下生成水分子。磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为

，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。优点是构造简单，稳定，电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力。磷酸燃料电池基本结构引导问题5：各种燃料电池工作原理4熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大，这种电池使用“溶化的锂钾碳酸盐”或者“溶化的锂钠碳酸盐”作为电解质。当温度加热到650℃时，这种盐就会溶化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程中发电。这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。且白金催化剂可用廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热电厂利用。这种燃料电池的效率最高可达60%。引导问题5：各种燃料电池工作原理5固态氧化物燃料电池固态氧化物燃料电池工作温度比溶化的碳酸盐燃料电池的温度还要高，其工作温度位于

之间。在这种燃料电池中，当氧阳离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳的混合物）时便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它们使用固态的电解质，这种电池比溶化的碳酸盐燃料电池更稳定。固态氧化物燃料电池的效率约为60%左右，具有为车辆提供备用动力的潜力。引导问题5：各种燃料电池工作原理6甲醇燃料电池甲醇作为替代氢的燃料，被应用于燃料电池中。原因在于：甲醇是一种液态燃料，易于存储、分配与运输；甲醇也是最单一的有机燃料，可以从丰富的矿物燃料中获取，可实现大规模生产。相比其它燃料电池，甲醇燃料电池技术相对不够成熟，就当前的技术而言，甲醇燃料电池功率密度较低、功率响应慢，且效率也较低，距离大规模应用还有一段距离。根据燃料电池的发展，质子交换膜燃料电池被认为最适合作为电动汽车采用的燃料电池。学习任务1.燃料电池汽车基础知识2.燃料电池汽车的工作原理与结构3.燃料电池汽车的实例引导问题1：燃料电池汽车有哪些结构类型？燃料电池汽车的结构多种多样，通常按动力源的组成进行分类。燃料电池汽车的动力源通常包括燃料电池系统（FuelCell）、蓄电池（Battery）、超级电容（Capacitor）。

①纯燃料电池驱动（PureFuelCell，PFC）的燃料电池电动汽车；PFC汽车结构原理图纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。但由于燃料电池无法实现充电，因此无法实现电动汽车的制动能量回收。引导问题1：燃料电池汽车有哪些结构类型？②燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV；在该动力系统结构中，燃料电池和蓄电池一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，从而驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池将储存回馈的能量。FC+B电动汽车结构原理图引导问题1：燃料电池汽车有哪些结构类型？③燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV；这种结构形式与燃料电池+蓄电池结构相似，只是把蓄电池换成超级电容。相对于蓄电池，超级电容充放电效率高，能量损失小，比蓄电池功率密度大，在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长，但是超级电容的能量密度较小。④燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV燃料电池、蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。FC+B+C电动汽车引导问题2：燃料电池汽车的工作原理与总体结构图4-10为典型燃料电池汽车结构示意图。它通常包括燃料电池系统、电机、蓄电池（超级电容）等功能部件组成。燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。引导问题3：燃料电池汽车的主要功能总成有哪些？1燃料电池发动机系统1）氢燃料电池发动机氢燃料电池发动机系统（1）氢气供应、管理和回收系统（2）氧气供应和管理系统

（3）水循环系统

（4）电力管理系统

引导问岭题3：混燃料电轿池汽车决的主要脉功能总愉成有哪弄些？1燃料电池少发动机系挠统2）甲醇幼燃料电饥池发动券机甲醇燃艰料电池铺发动机念系统（1）甲醇绍储存装挨置（2）燃烧漆器、加画热器和纸蒸发器（3）重整歉器（4）氢气净浇化器引导问题搜3：燃料猪电池汽车崖的主要功墓能总成有馆哪些？1燃料电池敏发动机系苗统3）DC/D忠C变换器DC/D口C变换器醉的基本捡功能：（1）当输肾入直流绸电压在轿一定范蜂围内变孙化时，或能输出赚负载要纤求的变炮化范围筹的直流电压。（2）输出负栋载要求的掀直流电流基（范围）艰：能够输李出足够的以直流负载徒电流，并矿且能够允月许在足够箱宽的负载更变化范围碗的情况下设备能歼正常运行。（3）变换器化是能量传骂递部件，件因此需要驱转换效率明高，以便个提高能源别的利用率旅；（4）为了降衬低对燃料翅电池的输程出电压要味求，变换慢器应具有恨升压功能劳；（5）由于燃卵料电池输盒出的不稳狂定，需要臣变换器闭么环运行进甚行稳压，棚为了给驱汉动器稳定绣的输入，夹需要变换提器有较好每的动态调螺节能力；引导问疲题3：腔燃料电槽池汽车藏的主要跃功能总苦成有哪承些？1燃料电袄池发动叶机系统4）驱动电胸机DC/初DC变换器头的基本葬功能：（1）直流众电机驱潜动系统揪采用换课向器和耻电刷，格保证了沸励磁磁桑动势与增电枢磁藏动势的死严格正垦交，易凳于控制瞒。但直策流电机笋结构复负杂，其置高速性破能和可窜靠性受暑换向器喂和电刷校的影响桌较大。（2）交流电巷机坚固耐油用、结构附简单、技怖术成熟、笑免维护、宽成本低，狮尤其适合逢恶劣的工错作环境。但其缺点在俗于损耗大迅、效率低纱、功率因异数低，进渐而导致控却制器容量戴增加，成耻本上升。引导问培题3：跨燃料电寨池汽车述的主要糕功能总佣成有哪劝些？2辅助动杀力源在FCEV上燃料电咐池发动机猜是主要电捆源，另外静还配备有鞭辅助动力残源。根据FCE退V的设计柳方案不圆同，其绑所采用宫的辅助麻动力源叫也有所饥不同，份可以用券蓄电池目组、飞柜轮储能伯器或超饲大容量拖电容器遗等共同轰组成双女电源系结统。在用具有双崇电源系搜统的FCEV上，驱动悠电动机的免电源可以熊出现以下掠驱动模式跌。1）在FCE殃V起动时，端由辅助动纲力源提供疏电能带动允燃料电池相发动机起容动，或带敞动车辆起穴步。2）车辆索行驶时菌，由燃心料电池梁发动机技提供驱冰动所需励全部电膝能，剩犯余的电暖能储存豪到辅助转动力源哗装置中疯。3）在加速动和爬坡时战，若燃料蚀电池发动粒机提供的柄电能还不倾足以满足FCE碑V驱动功率旱要求，则甩由辅助动余力源提供婶额外的电拜能，使驱押动电动机途的功率或侨转矩达到姑最大，形医成燃料电卵池发动机钞与辅助动幕力源同时善供电的双疤电源的供丹电模式。4）贮存僻制动时绕反馈的午电能，店以及向堵车辆的失各种电块子、电航器设备转提供所篇需要的箱电能。引导问题狭3：燃料帆电池汽车夺的主要功泳能总成有承哪些？3电控系统燃料电池导汽车的动柄力电控系绝统主要由剂燃料电池反发动机管丙理系统、策蓄电池管织理系统、殊动力控制晋系统及整缴车控制系喜统组成，打如右图所示。1）发动机位管理系统2）蓄电池挂管理系统3）动力枕控制系班统4）整车脏控制系朵统燃料电池船汽车的动只力电控系控统引导问拥题4：肚燃料电舱池汽车望需要解效决哪些来关键技胀术？1氢燃料的狸制取、储静存和运输2燃料电崇池汽车雷整车布夺置燃料电港池汽车闭在整车皱布置上探存在以予下关键归问题：1）燃料筐电池发刑动机及楚电机的鬼相关布益置；2）动力他电池组遥的车身赖布置、蚀氢气瓶嚼的安全蹦布置；3）高压技电安全垫系统的罩车身布蔽置问题。这些核餐心部件邪的布置仰，不仅迈要考虑乓布置方别案的优塌化及零攻部件性兼能实现煎的便利闲，还要蓬求相关棉方案必恰须考虑菌传统汽找车不具缩慧备的安右全性问劣题。燃料电郑池发动呀机自身霉的运行繁温度为左右，林实际的附散热系企统工作团温度大夏致可以栋控制在，必须依遭赖整车动替力系统提歇供额外的饲冷却动力彩为系统散热。学习任自务1.燃料电池壤汽车基础呢知识2.燃料电池医汽车的工留作原理与常结构3.燃料电池扭汽车的实版例引导问题申1：本田铸FCX崖Clar寄ity介灾绍（视频）2007年，本奸田（Hond溉a）发布了催其旗下的地首款市场寨化的氢氧笛燃料电池末汽车——Hond而a

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St茶ack），高停功率的亚锂离子任电池（High雹-Out虫put头Batt驳ery）等五违部分组摸成。Hon掉da姨FCX密Cl疤ari样ty主要动力划部件的整坟车布置图引导问伸题2：寺本田F豆CX四Cla荷rit储y结构倒——燃肠料电池Hond丢a

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