新能源汽车技术 第2版 课件 项目4 燃料电池电动汽车

新能源汽车技术项目4燃料电池电动汽车项目4燃料电池电动汽车4.1概述燃料电池电动汽车（ＦＣＥＶ）以电动机输出动力，用燃料电池作为能源转换装置，利用氢气作为燃料。与传统内燃机汽车相比，ＦＣＥＶ不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高、环境友好等内燃机汽车不可比拟的优点，同时可以保持传统内燃机汽车高速度、长距离行驶和安全、舒适等性能，被认为是２１世纪首选的洁净、高效运输工具。项目4燃料电池电动汽车4.1概述《中国制造２０２５》将“节能与新能源汽车”作为重点进展领域，明确了“连续支持电动汽车、燃料电池电动汽车进展”的要求，为新能源汽车的进展指明方向。其中，明确提出了针对燃料电池电动汽车的国家层面的规划，包括推广数量及关键技术指标，到２０２５年，制氢、加氢等配套基础设施基本完善，燃料电池电动汽车实现区域小规模运行。这些目标表达了我国推广燃料电池电动汽车的坚定决心。项目4燃料电池电动汽车4.1概述

GB/T24548-2009《燃料电池电动汽车术语》中规定了与燃料电池电动汽车相关的术语与定义。（１）燃料电池燃料电池（FuelCell）是将外部供应的燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置。（２）燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车（FullCellElectricVehicle,FCEV）是以燃料电池系统作为动力源或主动力源的车辆。4.1.1定义项目4燃料电池电动汽车4.1概述１按有无蓄能装置分类根据燃料电池电动汽车是否配备蓄能装置，可以把燃料电池电动汽车分为纯燃料电池电动汽车和混合燃料电池电动汽车两大类。２按燃料电池与动力蓄电池的结构关系分类根据混合型燃料电池电动汽车中燃料电池和动力蓄电池的电路结构，可将混合型燃料电池电动汽车分为串联式和并联式两种，如图所示。4.1.2分类项目4燃料电池电动汽车4.1概述4.1.2分类项目4燃料电池电动汽车4.1概述4.1.2分类3按提供的燃料不同分类根据燃料电池提供的燃料不同，燃料电池电动汽车可分为直接燃料电池电动汽车和重整燃料电池电动汽车两大类。（１）直接燃料电池电动汽车直接燃料电池电动汽车的燃料主要是纯氢，也可以用甲醇等燃料。（２）重整燃料电池电动汽车重整燃料电池电动汽车的燃料主要有汽油、天然气、甲醇、甲烷、液化石油气等。重整燃料电池电动汽车的结构比氢燃料电池电动汽车复杂得多。项目4燃料电池电动汽车4.1概述4.1.3特点优点热效率高零污染或超低污染高效率且过载能力强配置灵活及机动性大充分利用现有的设施项目4燃料电池电动汽车4.1概述4.1.3特点缺点辅助设备复杂辅助设备重而体积大起动时间长并需提高系统的耐振能力项目4燃料电池电动汽车4.1概述4.1.4燃料电池电动汽车发展燃料电池出现至今已经有１００多年的历史，其发展过程可归纳为实验室研究开发和实际应用开发两个阶段。项目4燃料电池电动汽车4.2燃料电池及供氢系统4.2.1燃料电池系统燃料电池技术是燃料电池电动汽车的最关键技术之一。燃料电池电堆的净输出功率、耐久性、低温起动性及成本等，直接影响燃料电池电动汽车的性能和发展。目前，降低燃料电池成本是燃料电池电动汽车研究的最重要目标，而控制燃料电池成本最有效的手段是减少燃料电池材料的成本，降低加工费用。在降低燃料电池成本的同时，进一步提高燃料电池的性能，是目前燃料电池电动汽车技术研究的重点。燃料电池系统还有许多需要攻克的技术难题，例如系统起动与关闭的时间、系统能量管理与变换操作、电堆水热管理模式以及降低成本高性能的辅助装置。项目4燃料电池电动汽车4.2燃料电池及供氢系统4.2.1燃料电池系统

1质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池的基本结构主要由质子交换膜、催化剂层、扩散层、集流板组成。项目4燃料电池电动汽车4.2燃料电池及供氢系统4.2.1燃料电池系统

２磷酸燃料电池磷酸燃料电池是以磷酸为导电电解质的酸性燃料电池，依靠酸性电解液传导氢离子。PAFC是目前使用最多的燃料电池之一，是最早成为商品的燃料电池。项目4燃料电池电动汽车4.2燃料电池及供氢系统4.2.1燃料电池系统

２磷酸燃料电池项目4燃料电池电动汽车4.2燃料电池及供氢系统4.2.2供氢系统目前，燃料电池电动汽车大都以纯氢为燃料。车载储氢装置对燃料电池电动汽车的动力性和续驶里程影响很大。常见的车载储氢装置有高压储氢、液态储氢、金属储氢、活性炭吸附储氢和碳纳米管储氢等几种。项目4燃料电池电动汽车4.2燃料电池及供氢系统4.2.2供氢系统项目4燃料电池电动汽车4.2燃料电池及供氢系统4.2.2供氢系统项目4燃料电池电动汽车4.2燃料电池及供氢系统4.2.3燃料电池电动汽车氢气安全控制策略燃料电池电动汽车氢气供给及安全警报的主要元件有氢气传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、氢气瓶温度传感器、氢气瓶电磁阀、总电磁阀、蜂鸣器、系统控制等。项目4燃料电池电动汽车4.2燃料电池及供氢系统4.2.3燃料电池电动汽车氢气安全控制策略项目4燃料电池电动汽车4.2燃料电池及供氢系统4.2.3燃料电池电动汽车氢气安全控制策略项目4燃料电池电动汽车4.3燃料电池电动汽车的结构与工作原理4.3.1直接燃料电池电动汽车1燃料电池系统燃料电池系统的核心是燃料电池电堆，此外，还配备了氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、水循环及反应物生成系统等，用以确保燃料电池堆正常工作。项目4燃料电池电动汽车4.3燃料电池电动汽车的结构与工作原理4.3.1直接燃料电池电动汽车２辅助蓄能装置混合式燃料电池电动汽车配备辅助蓄能装置。辅助蓄能装置可采用动力蓄电池、超级电容器和飞轮蓄电池中的一种，组成双电源的混合动力系统，也可采用动力蓄电池＋超级电容器或动力蓄电池＋飞轮蓄电池中的一种，组成双电源混合动力系统，还可采用动力蓄电池＋超级电容器、动力蓄电池＋飞轮蓄电池的三电源系统。项目4燃料电池电动汽车4.3燃料电池电动汽车的结构与工作原理4.3.1直接燃料电池电动汽车３驱动电机驱动电机用于将电源提供的电能转换为电磁转矩，并通过传动装置驱动车辆行驶。与纯电动汽车和混合动力电动汽车一样，燃料电池电动汽车用驱动电机可采用有刷直流电机、交流异步电机、交流同步电机、永磁无刷直流电机和开关磁阻电机等。不同类型的电机具有不同的性能特点，应该结合整车的开发目标，综合考虑各种电机的结构与性能特点以及电机的驱动控制方式及控制器结构特点等，选择适宜的驱动电机。项目4燃料电池电动汽车4.3燃料电池电动汽车的结构与工作原理4.3.1直接燃料电池电动汽车４电子控制系统直接燃料电池电动汽车的电子控制系统包括燃料电池系统控制、DC/DC变换控制、辅助储能装置能量管理、电机驱动控制及整车协调控制等控制功能模块，各控制功能模块通过总线连接。项目4燃料电池电动汽车4.3燃料电池电动汽车的结构与工作原理4.3.2重整燃料电池电动汽车１重整燃料电池电动汽车动力系统重整燃料电池电动汽车与直接燃料电池电动汽车的主要区别在于其使用汽油、天然气、甲醇、甲烷、液化石油气等燃料，在汽车上通过重整器产生氢，再将氢提供给燃料电池电堆。重整燃料电池电动汽车动力系统的基本组成如图所示。项目4燃料电池电动汽车4.3燃料电池电动汽车的结构与工作原理4.3.2重整燃料电池电动汽车２重整燃料电池氢气产生过程重整燃料电池电动汽车采用的燃料不同，其制氢过程（重整技术）也会有所不同。项目4燃料电池电动汽车4.3燃料电池电动汽车的结构与工作原理4.3.2重整燃料电池电动汽车３重整燃料电池电动汽车的优、缺点重整燃料电池电动汽车的主要优点是燃料存储方便，只需要普通的容器，不需要加压和冷藏。其缺点主要有：１）燃料电池系统起动时间较长，动态响应较慢。对于配备辅助储能装置的重整燃料电池电动汽车来说，辅助储能装置可很好地解决这一问题。２）重整装置不仅需要复杂的控制过程，而且其体积会减小车辆可利用的空间，其质量会增加更多的能量消耗。３）当制取的氢气纯度不高时，可能会使催化剂中毒并产生一些污染。由于存在上述不足，在现已推出的燃料电池电动汽车中采用重整技术的相对较少。项目4燃料电池电动汽车4.4氢腾FC-ML80燃料电池2020年9月，国家电力投资集团有限公司（简称国家电投）发布“氢腾”FC-ML80车用燃料电池产品和FCS65车用燃料电池发动机系统产品，其关键技术和产品材料全部实现自主化，指标达到国际领先水平，顺利步入产业化推广实施阶段。2022年北京冬奥会期间，搭载国家电投“氢腾”氢燃料电池的氢能大巴服务于延庆赛区和北京赛区，以“零事故、零故障、零失误”的稳定表现，出色地完成了任务。“氢腾”氢燃料电池是我国氢燃料电池国产化“突围”的成果示范，实现了材料级自主化，性能达到国际领先水平。项目4燃料电池电动汽车4.4氢腾FC-ML80燃料电池燃料电池电堆是氢能汽车的心脏，其性能直接影响车辆的动力性及安全性。国氢自主研发的氢腾FC-ML80电堆产品额定功率为88kW，体积功率密度3.2kW/L，采用抗中毒、低衰减催化剂、高耐腐蚀、低电阻钛基双极板，适应低湿度启动质子膜，高性能、快速响应膜电极；氢腾FC-ML80是国内首个采用钛基金属双极板的电堆产品。相较不