新能源汽车燃料电池汽车

相关学习任务学习任务9燃料电池汽车学习任务10气体代燃料汽车学习任务11液体代燃料汽车学习任务12其他清洁能源汽车

燃料电池汽车项目三其他新能源汽车燃料电池汽车项目三其他新能源汽车二1■■■■【任务引入】燃料电池汽车（FCV）是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。车载燃料电池装置所使用的燃料为高纯度氢气或含氢燃料经重整所得到的高含氢重整气。与通常的电动汽车比较，其动力方面的不同在于FCV用的电力来自车载燃料电池装置，电动汽车所用的电力来自由电网充电的动力蓄电池。因此，FCV的关键是燃料电池。本学习任务主要学习燃料电池的结构原理，燃料电池发电系统组成及工作原理和车载氢气系统安全措施。1•能够简单描述燃料电池汽车的发展历史。2•能够正确描述燃料电池的基本结构原理、特点及应用于汽车的燃料电池种类。3•能够正确描述质子交换膜燃料电池的组成、各组成部分的作用及基本工作原理4•能够正确描述燃料电池组的组成及各组成部分的作用。5•能够正确描述以氢为燃料的燃料电池发电系统和以甲醇为燃料的燃料电池发电系统的组成及各组成部分的功能。

【学习目标】6•能够正确描述燃料电池汽车采用的电源复合结构种类及各类型电源复合结构的特点。7•能够正确描述燃料电池汽车混合动力系统的类型及各类型系统的特点。8•能够正确描述车载氢气系统的安全装置种类及各类型安全装置的作用。9•能够简单说明几款典型燃料电池汽车的特点。相关知识学习一、燃料电池汽车发展历史二、燃料电池三、燃料电池发电系统结构原理五、典型的氢燃料电池汽车

任务实施与考核

学习效果检验

早在1994年，戴姆勒就开发出燃料电池汽车“NECARI”，随后又推出它的姊妹车“NECAR2”°1997年秋在法兰克福汽车展上,戴姆勒展出了“NECAR3”。1999年，戴姆勒-克莱斯勒汽车公司与福特汽车公司联手研制成功的以液氢为动力的“NECAR4”2000年，戴姆勒-克莱斯勒公司宣布，已经开发出以甲醇为燃料电池汽车“NECAR5”和"JeepCommander2”。■丰田汽车公司利用自己独特特的燃料电池技术,试制出两种类型的燃料电池样车。一种是使用特殊的合金材料储氢。另一种则是以甲醇为燃料，在车上完成从甲醇转化为氢气燃料的全过程。丰田的RAV4汽车使用了25kW燃料电池堆与镍氢电池的混合装置。大众汽车公司也示范了一种以“高尔夫”车型1=1mA雷诺和标致、雪铁龙汽车公司还示范了以PEMFC堆为动力的汽车，它们分别以车载贮存的液态和气态氢为燃料。组装30台SUV和4辆大客车，进行示范运行。2009年至2012年开发第二代电堆，装配100台SUV°2013年开始生产车型为is35的千辆级燃料电池SUV°2015年推出第三代燃料电池SUV和客车。2016年底，丰田在日本建立100座氢燃料充注站。2017年，奔驰推出世界首款插电式燃料电池技术的量产车GLCFCellEQPower，其续行量程达483km。2014年6月10日，量产型的现代TucsonFCV正式登陆美国加州市场，于2017年5月份在英国上市。所以专家们将2014年定为燃料电池汽车的元年。1=1=nr.在现阶段，燃料电池汽车所用的燃料（氢气）的大规模环保制备技术并未十分成熟。传统的制氢工艺是通过电解水来获得氢气的，如果用于电解水的电能来自于烧煤发电，便存在碳排放，燃料电池汽车便失去了其存在的意义。nr.1=除此以外，基础设施建设也是制约燃料电池汽车发展的障碍。1=所以基础设施建设及氢气制备技术这两方面对燃料电池汽车的普及有着至关重要的影响。从20世纪50年代开始，中国一直进行燃料电池相关技术的研究，但直到20世纪90年代,全球环境署支持在中国进行燃料电池公共汽车示范，中国对其产生了浓厚兴趣。从那时起，中国在此方面有了很大进步。目前在中国有60多个机构在从事燃料电池的研究。1998年，清华大学在中国研制出了第一辆燃料电池汽车，该汽车是一辆高尔夫车，它靠一组5kW的燃料电池提供动力，由北京富源世纪燃料电池能源提供。1999年展示了电动轿车。这个团队取得的标志性进展是北京富源正在测试的用于公共汽车发动机的140kW燃料电池堆。上海神力科技有限公司创建于1998年。在短短的时间里它示范了用40kW燃料电池的jitney、汽车、摩托车和电动自行车。现在正在研究在面包车上装用80kW的质子交换膜燃料电池发电机。电池发电机，以桑塔那2000为基础，在2003年研制出超越1号燃料电池轿车，后续研制出超越二号。车曾在2008年作为“奥运节能与新能源示范车nr.2006年，新一代燃料电池轿车动力系统技术平台研制成功，并应用于Passat领驭等车型。2014年北京车展上，荣威950插电式氢燃料电池轿车正式发布，该车续行里程可达400km。通用汽车氢燃料电池车Sequel。通用Hy-wire氢动三号燃料电池车。:n:n1.概述1)燃料电池工作原理简单地说，燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。单元燃料电池由正极、负极、电解质、隔膜和附件构成。2)燃料电池特点能量转化效率高。对环境污染小。(3)(4)(5)燃料适用范围广。使用方便。负荷响应快，运行质量高。■3）燃料电池种类燃料电池种类繁多，常见的分类方法是按参与反应的燃料制取方式分类，按此种分类方法，燃料电池可分为直接式、间接式和再生式3种。直接式：其燃料（如氢和甲醇）直接与氧化剂作用；间接式：其燃料不是直接用氢或甲醇，而是通过某种方法把某种富氢化合物转变成氢后再供给电池;再生式：把燃料电池反应生成的水通过某种方法分解为氢和氧，再使其重新进行反应。IIIIII直接式燃料电池按工作温度的高低可分为高、直接式燃料电池按工作温度的高低可分为高、中、低三类。工作温度在750°C以上的为高温燃料电池；在200C〜750C的为中温燃料电池；低于200C的为低温燃料电池。也有按温度分为四类的,200C的为低温燃料电池。也有按温度分为四类的,IIIIII即25C〜100°C、l00°C〜300°C、500C〜1000C、按照电解质类型的不同可分为：碱性燃料电池（AFC）、固态聚合物燃料电池（ESPFC，又称“质子交换膜燃料电池”，PEMFC）、磷酸盐燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）等。质子交换膜燃料电池由于具有工作温度低、功

率密度大、启动快、使用寿命长、结构简单等特点，lT<1率密度大、启动快、使用寿命长、结构简单等特点，lT<1因此得到迅速发展。据预测，质子交换膜燃料电池可能是继磷酸盐燃料电池之后最早实现商业化的燃料电池。2•质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池是指以质子交换膜作电解III质和隔离材料的燃料电池。质子交换膜燃料电池的

工作温度低于ioo°c，是电动汽车的理想动力电源。III1）质子交换膜燃料电池的组成质子交换膜燃料电池由阳极（燃料极）、阴极（空气极）、质子交换膜、冷却水板和附件组成。2）子交换膜燃料电池的工作原理燃料电池单体电压只有0・7V左右，为了获得足够高的工作电压，需将多个燃料电池单体串联在一起,形成燃料电池堆。3）燃料电池系统燃料电池系统主要由电池堆、氢气、氧气供给装置，增湿器及去离子水供给装置，冷却装置,尾气及生成物排放装置组成。rr^==^^=========^低温质子交换膜燃料电池根据输入空气的压力分为常压型和增压型两种类型。氢压力调布阀储氢罐电动机2—坊机11负荷［2A-憋料极■/z'd5_A氧电极•$却/加温质子交换膜1,丄射流泵小A.血就°:<

P!田vp,;流量计TEnm稳压集气水分离器压力调*阀IPh9Outl定期放水水箱Out2理Out3QT.If攵热器水泵压力调廿阀2氢再循环系统环境压力系统

绝热堆氢再循环系统◎送风机散热器+风扇集水器膨胀机阳极阴极冷凝器+水泵冷凝器+

风扇寄生功率

损失约20%集水器/水箱寄生功率损失＜5%风扇(a)(b)①燃料极处直接用液态水对膜加湿，保证电解膜充分含水。氧电极处供应近似常压式的空气，寄生功率损失小、系统效率高。对氧电极供应的是不加湿的空气流，系统不需要加湿模块，流道中液态水量很少，所以压力降很低。为了去除氧电极处生成的水，供应给氧电极的空气流量很大，所以不会积累大量的水。通过直接蒸发流场中进入反应气体里的水使燃料电池堆冷却，使冷却系统大大简化。由于是低压系统，堆与系统的密封、管接头、管道等容易处理。型/kg比能量W・h/kg1快充性-^记忆性■污染循环寿命次^用■^酸13035W・h/kg18〜24h充满快充性无有500〜900小、微型电动车、电动差大客车镍镉■225551h充满可快充有有"2000混合动动力镍氢"20070〜80-1h充满可无无1000以上混合动力锌空气1001350^快充几分钟无无100以上客货电动车■3T5T202〜4h充满可快充无无T000各类电动车超级电容"5000"2010s无无50万次金.亠电动汽车复合电源飞轮电池T501000018min无无25年电动汽车复合电源燃料电7003min无无10年燃料电池汽池车

1•以氢气为燃料的燃料电池发电系统包括氢气供应、管理和回收系统，氧气供应和管理系统，水循环系统，电力管理系统等。AU.J■AU.J■2•以甲醇为燃料的燃料电池系统在以甲醇为燃料的燃料电池系统中，用甲醇供应系统代替了上述的氢气供应系统。系统包括：1）甲醇储存装置2）III燃烧器、加热器和蒸发器：将甲醇和水加热生成高温混合蒸气。III3）改质器：提取氢。4）氢气净化器：去除CO动力蓄电池组动力蓄电池组（BP）动力蓄电池组动力蓄电池组（BP）3•燃料电池汽车电源复合结构1）燃料电池+动力电池（FC+B）结构M.JR动电动机DC/DC(DCF)LWWWWWWWWWMWDC/AC(MC)WMWWMWWMMMWWW兴:Lill轴(F「p\AAAMWWWWMWWMWWWMAAAU.J■2）燃料电池+动力电池+超级电容（FC+B+C）结构超级电容器具有大电流的充电和放电特性,恰好弥补了动力电池的不足，可以避免在回收制动反馈的能量时，电流过大造成的动力电池的热失控和发生安全事故。

系统结构系统结构■4•燃料电池汽车混合动力系统燃料电池汽车混合动力系统有单向DC/DC燃料电池混合动力系统和单、双向两DC/DC燃料电池混合动力系统两种。（1）单、双向两DC/DC燃料电池混合动力系统（功率混合型动力系统）。(2)单向DC/DC燃料电池混合动力系统(能量混合动力系统)。5.FCEV的多电源电力总成控制策略制动系统£双单向阀加气口：高压电磁阀1鬲压雷磁阀2尊压阀氢气瓶压力和温度或氢气泄露报警八放空针阀女全阀手动截止阀燃料电池•氢气瓶压力和温度或氢气泄露报警氢气瓶jhf:戈单向阀加气口高压电磁阀1)同压雷磁阀2竽压阀放空针阀安全阀:汽、手动截止阀燃料电池系统的安全装置管路电磁阀：放在减压阀前部，当外界给氢气瓶充气时，可有效防止气体进入燃料电池。

减压阀。位于管路电磁阀和燃料电池之间,可以将氢气的压力调节到燃料电池所需要的压

手动放气针阀。当出现危险的时候，针阀可以将氢气瓶中的残余氢气安全放空。安全阀。位于氢气瓶上，当氢气瓶中氢气压力超过设定值后，能通过氢气瓶安全阀自动泄压，例如在氢气瓶体温度由于某种原因突然升高造成氢气瓶内气体压力上升，当压力超过安全阀设定值时，安全阀自动泄压，保证氢气瓶在安全的工作压力范围之内。气安全装置气安全装置单向阀。当注气接头出现损坏情况下可防止气体向外泄漏并提高受气头的使用寿命，通常采用两单向阀串联结构，以提高可靠性。

磁阀失效时能手动切断氢气源。氢气瓶电磁阀和手动截止阀联合作用，有效的避免了氢气泄漏。加气口在加注氢气的时候与加气机的加气枪相连，从而达到加注的目的，同时具有单向阀的功能。温度传感器和压力传感器。位于氢气瓶上,用于检测氢气瓶内的温度和压力，控制单元用以控制系统运行，避免系统工作在不正确的温装置装置氢气泄露报警级别共分三级。一级：氢气浓度达到1000ppm(2.5%LEL)时报警。二级：氢气浓度达到5000ppm(12.5%LEL)时报警，红色报警。三级：氢气浓度达10000ppm(25%LEL)时报警，黄色报警。碰撞传感器。在车辆发生碰撞的情况下，整储氢罐电磁阀。00001.本田系列氢燃料电池汽车2.3.奔驰B级燃料电池汽车4・超越系列燃料电池汽车5.丰田混合动力燃料电池大客车—-h—矛閱总蜜w—■KaWlLLTMYes本田燃料电池车首次亮相于1999年，到现在其燃料电池汽车的发展已经发生了很大的变化。本田新一代的燃料电池汽车FCXClarity，以本田独创的燃料电池堆“VFlowFCStack”技术为核心，实现了燃料电池车所特有的CO零排放。21）动力系统布置结构-—12）燃料电池堆燃料电池堆“VFlowFCStack”=3）动力电池组v锂离子电池作为一个补充电源，取代了在早期FCX原型车中的超级电容，其体积适合安放在车辆后部,从而节省了空间。4•驱动电动机FCXClarity采用功率达100kW的交流永磁同步电动机，最大输出扭矩为189N・m。与上一代相比，整体动力单元的比功率提高l倍，功率密度提高1.2倍,实现了轻质小型化和高功率的高度统一。此外，节能性提高20%,续航里程提高30%。奥迪Q5HFC可在13・4s之内加速到1OOkm/h，最高速度可达160km/h。氢气的利用非常

节约和高效，燃料电池的能量转换效率可以达到50%以上。该车型实现了500km的最长行驶里程，而且其“加油,统驱动系统的车型长。'时间也不比采用传动力布置：前轮轮毂电机驱动3——为4ii尿殳料奔驰B级F-Cel动力系统的性能要优于2.0L发动机，并且拥有良好的燃油经济性，其柴油消耗相当于3.3L/100km。其最大输出功率可达100kW，峰值扭矩可达290N・m。最高时速可达170km/h。这款车可以在-25©的寒冷条件下实现起动，其最大行驶里程为400km,只需要3min的时间就能完成其氢燃料的补充。同济大学、上汽等早在21世纪初就开始了同济大学、上汽等早在21世纪初就开始了燃料电池车的研发，技术领先程度并不逊于国外同行。2002年所研制的“超越1号”氢燃料电池车露面，随后几年，诞生了“超越2号”、“超越3号”以及上海牌燃料电池车，其搭载的氢燃料动力系统不断提升。“超越3号”的最高车速达到123km,0〜100km/h的加速时间为19s,—次加氢的续驶里程为230km，燃料经济性为1・132kg/100km丰田与日野汽车公司合作开发的长10・5m,低底板燃料电池混合动力城市大客车FCHV-BUS2在日本爱知世界博览会上使用。该车将一对丰田的燃料电池堆与丰田的THS-II混合驱动和管理系统结合在一起，此系统曾用于Prius。-**""-**""—一.…一一_-**""-**""—一.…一一_【学习效果检验】作业：1•燃料电池有哪些特点？2•什么是质子交换膜燃料电池？它有哪几部分组成？各组成部分的作用是什么？3•燃料电池汽车混合动力系统有哪几种类型？各类型系统有何特点1•专家们将(D)年定为燃料电池汽车的元年。1992B.1994C.2006D.20142.(D)年6月10日，量产型的现代TucsonFCV正式登陆美国加州市场。A.1992B.1994C.2006D・20143•丰田Mirai于（D）年12月15日在日本本土正式上市。A.2006B.2009C.2012D・2014L=fpL=fp4.(D)年，奔驰推出世界首款插电式燃料电池技术的量产车GLCFCellEQPower,其续行量程达483km。A.2009B・2014C・2015D・20175・(B)年，同济大学和上海神力科技公司合作开发燃料电池汽车超越一号。A.2000B.2003C.2004D.2010L=fpL=fp6•为燃料和电解液提供公共界面，并对燃料的氧化反应产生催化作用，把反应中产生的电子传输到外电路或者先传输到集流板后再向外电路传输，实现这一功能的燃料电池构件是（A）。A・阳极B.阴极C.电解质D.隔膜7•在燃料电池中，（D）的作用是传导离子。A.阳极B.阴极C.电解质D.隔膜8•燃料电池在（A）内就可以从最低功率变换到额定功率，非常适合作汽车动力。A.数秒钟B.半分钟C.几分钟D.数分钟——一_22222222—9.Ill温燃料电池。IllA.200B.500C.750D.950•直接式燃料电池工作温度在（D）°C以下的为低温燃料电池。A.90B.100C.150D.200III•质子交换膜燃料电池的工作温度低于（B）C，是电动汽车的理想动力电源。IIIA.90B.100C.150D.200•燃料电池单体电压只有（C）V左右A.0.2B.0.5C.0.7D.1.2=13•以氢为燃料的燃料电池轿车至少需要（B）个高压储气瓶。A.1B.2C.3D.4•在以甲醇为燃料的燃料电池发电系统中，（D）是将甲醇转化为氢气的关键设备。A.燃烧器B.加热器C.蒸发器D.改质器•在以甲醇为燃料的燃料电池发电系统中，改质器所产生的氢气因为含有少量的（C）,因此必须对氢进行净化处理。A.OSC.COD.COL=fpL=fp—16•燃料电池的燃料供给系统中，气体流动的高压管路的材质一般会选用（D）。A.塑料B.铜合金C.铝合金D.不锈钢17•在燃料电池轿车上，一旦泄漏氢气浓度达到保护值能自动关闭，从而切断氢气源的装置是（A）。A.氢气瓶电磁阀B.管路电磁阀C.安全阀D.单向阀18•在燃料电池轿车上，当外界给氢气瓶充气时，可有效防止气体进入电池的装置是（B）。A.氢气瓶电磁阀B.管路电磁阀C.安全阀D.单向阀19•在燃料电池轿车上，当出现危险的时候，（D）可以将氢气瓶中的残余氢气安全放空。手动截止阀B.管路电磁阀安全阀D.氢气瓶电磁阀20.在燃料电池轿车上，当氢气瓶中氢气压力超过设定值后，能通过（C）自动泄压。A.手动截止阀B.管路电磁阀C.安全阀D.氢气瓶电磁阀21•—般来说，出于对安全性能考虑，氢燃料电池汽车总共要求安装（C）个氢气泄漏传感器。A.2B.3C.4D.5——一_——一_L=fpL=fp—22•氢燃料电池汽车氢气泄露一级报警的氢气浓度值为（A）%LEL。A.2.5B.10C.12.5D.2523.氢燃料电池汽车氢气泄露三级报警的氢气浓度值为（C）ppm。A.1000B.5000C.10000D.1500024•氢燃料电池汽车的氢气泄漏传感器一般布置在（C）。A.行李舱B.车内C.行李舱和车内D.行李舱和前舱

L=fpL=fpnr.25.氢燃料电池汽车中，主要用来判断氢气瓶中氢气量的装置是（C）。nr.Ill氢气瓶电磁阀B.温度传感器IllC.压力传感器D.氢气泄漏传感器26•本田FCXClarity的电动机为（B）电动机。A.直流B.永磁交流C.永磁无刷D.开关磁阻27•本田FCXClarity的氢消耗量约为（C）km/L。A.20B.25C.30D.40L=fpL=fp28•本田FCXClarity的辅助动力电池为（C）。A・铅酸B・镍氢C・锂D・锌空气29・Q5HFC的最高速度可达（C）km/h。100B•120C.160D•18030•奔驰B级燃料电池汽车需要（A）min的时间完成其氢燃料的补充。A・3B・5C・8D・10在于（BD）中的化学能直接转化为电能的发电装置。活性物质B.燃料C.光D.氧化剂2•下列关于燃料电池阳极作用的描述，（AB）正确。A・为燃料和电解液提供公共界面对燃料的氧化反应产生催化作用对氧气的还原反应产生催化作用从外电路向氧电极的反应部位传输电子

3•下列关于燃料电池特点的描述，（ABCD）正确。3•下列关于燃料电池特点的描述，（ABCD）正确。A.能量转化效率高B.对环境污染小C.燃料适用范围广D.负荷响应快，运行质量高4•目前，应用于汽车上的燃料电池有（BD）。A.AFCB.PEMFCC.PAFCD.SOFC5•燃料电池系统主要由（ACD）等组成。A.电池堆B.加压装置C.氢气、氧气供给装置D.冷却装置6•下列关于常压式燃料电池系统特点的描述，（AD）正确。寄生功率损失小、系统效率高系统压力高冷却系统复杂电池堆与系统的密封、管接头、管道等容易处理7•以氢为燃料的燃料电池发电系统包括（ABCD）。A.氢气供应、管理和回收系统B.水循环系统C.氧气供应和管理系统D.电力管理系统--2=8•燃料电池的散热方式有（ABCD）等方法。电池组本体外部冷却冷却介质通过电池组内部管道进行循环电极气体通过外部冷却器进行循环电解液通过外部冷却器循环9•在FCEV的多电源电