15.任务3-1 燃料电池汽车

新能源汽车概论课程架构模块1纯电动汽车模块2混合动力汽车模块3其他新能源汽车模块3其他新能源汽车相关学习任务任务3-1燃料电池汽车任务3-2气体燃料汽车任务3-3代用液体燃料汽车任务3-4其他清洁能源汽车任务3-1燃料电池汽车【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。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，燃料电池系统组成、工作原理和车载氢气系统安全措施。任务3-1燃料电池汽车主要学习内容一、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四、车载氢气系统安全措施五、典型的氢燃料电池汽车学习目标1．知识目标①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。②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。③能够正确描述燃料电池组的组成及各组成部分的作用。④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。⑤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。⑥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。⑦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。学习目标2．能力目标①能够根据具体的燃料电池汽车，简单说明其特点。②能够通过观察，找出代表燃料电池汽车的典型部件。3．素质目标①具备劳动安全保护、理论与实际相结合的职业素养。②具备坚持可持续发展等综合素养。开始学习一、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四、车载氢气系统安全措施五、典型的氢燃料电池汽车一、燃料电池汽车发展历史1.国外2.我国1.国外燃料电池汽车的发展历史早在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”。1.国外燃料电池汽车的发展历史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”车型为基础的甲醇作燃料的混合型汽车。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。1.国外燃料电池汽车的发展历史韩国也在2006年推出自主研发的第一代电堆，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。1.国外燃料电池汽车的发展历史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.国外燃料电池汽车的发展历史在现阶段，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。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。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。一、燃料电池汽车发展状况简介1.国外2.我国2.我国燃料电池汽车的发展历史从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。2.我国燃料电池汽车的发展历史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。2.我国燃料电池汽车的发展历史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燃料电池的小公共汽车、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。上海汽车集团与同济大学合作研制的燃料电池发电机，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。2.我国燃料电池汽车的发展历史超越二号2.我国燃料电池汽车的发展历史福田汽车和清华大学共同研发的燃料电池客车曾在2008年作为“奥运节能与新能源示范车”用于接载来自全世界的运动员。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。2.我国燃料电池汽车的发展历史通用汽车氢燃料电池车Sequel。2.我国燃料电池汽车的发展历史通用Hy-wire氢动三号燃料电池车。2.我国燃料电池汽车的发展历史2021年，第五届国际氢能与燃料电池汽车大会上，红旗H5-FCEV亮相，其动力系统采用氢燃料电机，额定功率为60kW，峰值功率为140kW，动力与2.0T燃油发动机差不多。2023年以来，我国多条氢能重卡跨区域物流干线启动运营，多家企业也合作开放氢能重卡项目。总体来看，我国的燃料电池汽车研发开展得较早，部分车企与高校合作也做出了一些展示车，其中包括轿车和大巴车，但最终形成量产产品的车型并不多。大多数展示车只作为大型会议的宾客接送车之用，普及程度很低。继续学习一、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四、车载氢气系统安全措施五、典型的氢燃料电池汽车二、燃料电池1.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”，只能发电。二、燃料电池燃料电池工作原理1．概述单元燃料电池由阳极、阴极、电解质、隔膜和附件构成。1．概述（2）燃料电池特点①能量转化效率高。②对环境污染小。③燃料适用范围广。④使用方便。⑤负荷响应快，运行质量高。1．概述（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。1．概述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℃以上的为高温燃料电池；200℃～750℃的为中温燃料电池；低于200℃的为低温燃料电池。也有按温度分为四类的，即25℃～100℃、l00℃～300℃、500℃～1000℃、l000℃以上。1．概述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。1．概述质子交换膜燃料电池在汽车上的应用二、燃料电池2.质子交换膜燃料电池（1）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、氢电极）、阴极（空气极、氧电极）、质子交换膜、冷却水板和附件组成。二、燃料电池（2）子交换膜燃料电池的工作原理二、燃料电池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。二、燃料电池（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。二、燃料电池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。增加与常压燃料电池比较二、燃料电池常压式燃料电池系统有以下特点：①燃料极处直接用液态水对膜加湿，保证电解膜充分含水。②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。③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。④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。⑤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。⑥由于是低压系统，堆与系统的密封、管接头、管道等容易处理。二、燃料电池电池类型比功率W／kg比能量W·h／kg快充性记忆性污染循环寿命次应用铅酸13035W·h/kg18～24h充满快充性差无有500～900小、微型电动车、电动大客车镍镉225551h充满可快充有有2000混合动动力镍氢20070～801h充满可快充无无1000以上混合动力锌空气1001350几分钟无无100以上客货电动车锂3151202～4h充满可快充无无1000各类电动车超级电容50002010s无无50万次电动汽车复合电源飞轮电池1501000018min无无25年电动汽车复合电源燃料电池

7003min无无10年燃料电池汽车继续学习一、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四、车载氢气系统安全措施五、典型的氢燃料电池汽车三、燃料电池发电系统结构原理三、燃料电池发电系统结构原理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。三、燃料电池发电系统结构原理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）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。（3）改质器：提取氢。（4）氢气净化器：去除CO三、燃料电池发电系统结构原理3．燃料电池汽车电源复合结构（1）燃料电池+动力电池（FC＋B）结构三、燃料电池发电系统结构原理FC＋B结构基本布置情况三、燃料电池发电系统结构原理（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。三、燃料电池发电系统结构原理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）单向DC/DC燃料电池混合动力系统（能量混合动力系统）。三、燃料电池发电系统结构原理（2）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）。三、燃料电池发电系统结构原理5．FCEV的多电源电力总成控制策略（三级管理）燃料电池发电系统继续学习一、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四、车载氢气系统安全措施五、典型的氢燃料电池汽车四、车载氢气系统安全措施行李舱两个，报警值为三级（10-3，25%LEL）；乘坐舱两个，报警值为一级或二级（10-3，25%LEL；5×10-3，12.5%LEL）。不锈钢继续学习一、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四、车载氢气系统安全措施五、典型的氢燃料电池汽车五、典型氢燃料电池汽车1.本田系列氢燃料电池汽车2.奥迪Q5HFC3.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1.本田系列氢燃料电池汽车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C02零排放。1.本田系列氢燃料电池汽车（1）动力系统布置结构1—储氢罐；2—燃料电池堆；3—锂电池；4—能量驱动单元；5—驱动电机1.本田系列氢燃料电池汽车（2）燃料电池堆燃料电池堆“VFlowFCStack”1.本田系列氢燃料电池汽车（3）动力电池组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。五、典型氢燃料电池汽车1.本田系列氢燃料电池汽车2.奥迪Q5HFC3.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2.奥迪Q5HFC奥迪Q5HFC可在13.4s之内加速到100km／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”时间也不比采用传统驱动系统的车型长。2.奥迪Q5HFC动力布置：前轮轮毂电机驱动1—燃料电池系统和驱动电机；2—燃料电池堆；3—氢气供应系统；4—动力电池组；5—储氢罐五、典型氢燃料电池汽车1.本田系列氢燃料电池汽车2.奥迪Q5HFC3.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3.奔驰B级燃料电池车奔驰B级F-Cell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