新能源汽车电池及管理系统课件 1-5 燃料电池及超级电容的技术分析

燃料电池

及超级电容技术分析

任务导入：

燃料电池无污染、无噪声、高效率。丰田公司从2014年推出了第一代Mirai氢燃料电池汽车至今，经过多年的开发研究，技术日趋成熟，于2020年又推出了第二代Mirai氢燃料电池汽车。我国车企如广汽、上汽大通、长城汽车、长安汽车等近年也陆续推出自己的氢燃料电池汽车。另外，由于超级电容具有充电速度快、循环寿命长、功率密度高等特点，为了弥补氢燃料汽车制造氢气的难度大和成本高的不足，各国汽车企业开始推出超级电容汽车。我国在超级电容汽车推广上，走在了世界的前面，宇通插电式混合动力城市客车、上海超级电容快速充电公交车已经运行了多年。作为新能源汽车维修企业的技术人员，应掌握燃料电池、超级电容技术，能对燃料电池、超级电容进行技术分析。

任务目标

1．知识目标

（1）熟悉燃料和超级电容结构、类型；

（2）了解镍燃料电池、超级电容的工作原理；

（3）熟悉燃料电池、超级电容特点。

2．能力目标

（1）能描述燃料电池和超级电容的结构、类型；；

（2）能描述燃料电池和超级电容的结构、类型；

（3）能描述燃料电池和超级电容的特点。

一、燃料电池概述

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率较高。

燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。

二、燃料电池的组成

燃料电池主要由电极、电解质隔膜与集电器等组成。

1、电极

燃料电池电极主要分两部分：阳极和阴极。

燃料电池电极厚度一般为200－500mm，其结构与一般电池电极不同，燃料电池的电极为多孔结构。

2、电解质隔膜

电解质隔膜的主要功能是分隔氧化剂与还原剂，并传导离子。

3、集电器

集电器又称双极板（BipolarPlate），具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等功用。三、燃料电池的类型

1.固体氧化物燃料电池(SOFC)；

2.氢燃料电池；

3.直接甲醇燃料电池(DMFC)。

（1）固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池是一种直接将燃料气和氧化气中的化学能转换成电能的全固态能量转换装置，具有一般燃料电池的结构。第一辆装有固体氧化物燃料电池辅助电源系统(APU)的汽车,由巴伐利亚发动机公司与德尔福汽车系统公司合作推出，于2001年2月16日在德国慕尼黑问世。

2.氢燃料电池

氢燃料电池以氢气作为燃料，与氧气经电化学反应后透过质子交换膜产生电能。

氢和氧反应生成水，不排放碳化氢、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物，无污染，发电效益高。

氢燃料电池还未完全实现大规模工业化应用的主要原因是制造氢气的难度大和成本高。未大规模工业化？制氢方式电解水制氢（耗能大）生物制氢（未成熟）以煤、石油、天然气为原料加热制氢（主要）甲醇蒸汽转化制氢（近年）氢燃料电池的优点无污染无噪声高效率氢燃料电池工作原理

以丰田Mirai氢燃料电池车为例：2014年，丰田汽车推出了第一代Mirai氢燃料电池汽车，它的动力系统主要由储氢罐、储能电池（动力电池）、燃料电池堆、高压储气罐、驱动电动机等组成，如图所示。

1.

燃料电池总成

Mirai燃料电池总成主要包括CVM（电堆巡检）、铜排、壳体和电堆等，如图下所示。其中，电堆的主要作用是在一定装配力施加和反应物供给下安全可靠的对外发电。Mirai燃料电池

燃料电池主要部件电堆巡检

壳体

电堆

（1）CVM（电堆巡检）

作用：采集燃料电池单体电压、电堆总电压信号，将采集到的电压信号输入燃料电池控制器，燃料电池控制器根据巡检信号判断电池的工作状态，并做对应的控制。

电堆巡检相当于锂电池的BIC，其外形及安装位置如图所示。电堆巡检外形及安装位置（2）电堆（堆栈）

电堆的结构如图所示。2.储能电池（动力电池丰田

Mirai储能电池Mirai储能电池安装在座椅后方，用来储存制动能量和燃料电池输出的剩余电能，在加速时辅助燃料电池供电，同时，给车载用电器供电。储能电池外观如右图所示。

储能电池用34组镍氢电池模组组成，输出电压244.8V（7.2×34），容量1.6kW.h。

3.

高压储氢罐

Mirai燃料电池堆两个高压储气罐位于车身后部，容积分别为60L和62.4L，储气压力可达70Mpa，用碳纤维和凯夫拉复合材料做成。储氢罐上装有止逆阀式的易熔塞泄压阀，在车辆着火的情况下，易熔塞会受热融化并强制性地排除氢气。车速在80km/h车辆发生追尾不会对氢罐造成损伤，如图所示。高压储氢罐和易熔塞泄压阀

4.氢加注口和对外供电口

Mirai配有氢燃料加注口和对外供电口。燃料电池堆除了驱动车辆，还可以通过对外供电口为外部设备提供电能，如图所示。氢燃料加注口和对外供电口

三、超级电容

超级电容，又名电化学电容，双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。一般有几法至几千法拉的容量。超级电容器可以反复充放电数十万次。

超级电容的类型1.按储能原理分有双电层超级电容、赝电容超级电容；2.按电解质分水性电解质超级电容、有机电解质超级电容。

超级电容的特点：1.充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%以上；2.循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，没有“记忆效应”；3.大电流放电能力超强，能量转换效率高大电流能量循环效率≥90%；4.功率密度高，超级电容功率密度可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的5~10倍；5.绿色环保，原材料构成、生产、使用、储存及拆解没有污染，是绿色环保电源；6.充放电线路简单，无需充电电池类型充电电路，安全系数高，长期使用免维护；7.超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；8.检测方便，剩余电量可直接读出；

超级电容的优点：

1）很小的体积下达到法拉级的电容量；

2）无须特别的充电电路和控制放电电路；

3）过充、过放电不影响使用寿命；

4）从环保的角度考虑是绿色能源；

5）超级电容器可焊接，不存在接触不良问题。

缺点：

使用不当容易出现电解液泄漏现象，内阻较大不适用交流电路。

超级电容的应用：

（1）超级电容在插电式混合动力汽车上的应用

在插电式混合动力汽车上，如宇通插电式混合动力城市客车ZK6125CHEVNPG29，采用磷酸铁锂电池+超级电容作为动力能量来源，解决了汽车续驶里程与加速爬坡性能之间的矛盾，其中由锂电池提供最佳的续驶里程，而由超级电容在加速和爬坡时提供短时的辅助动力。

（2）超级电容在纯电动公交车上的应用

电容快速充电公交车是以超级电容作为储能元件，在候车站安置智能柔性充电弓快速充电，利用公交车停靠站、乘客上下车的30秒内完成充电，使公交车成为城市内全线路离线运行的环保节能型电动公交车。

（3）超级电容在燃料汽车上的应用

在燃料电池汽车上，主动力源为燃料电池,超级电容为辅助动力源,超级电容只是在燃料电池启动､汽车爬坡和加速时提供功率,在汽车制动时能回收制动能量｡课堂练习一、填空1.

是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称

。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第

种发电技术。2.燃料电池主要由

、

与

等组成。3.燃料电池电极主要分两部分：

和

。4.燃料电池有

、

、

三种类型。5.氢燃料电池以

作为燃料，与

经电化学反应后产生电能。6.氢气的制造方法有

、

、

、

几种，目前主要的大规模产氢方式是

制氢。

7.丰田Mirai氢燃料电池汽车动力系统主要由

、

、

、

、

等组成。8.

又名电化学电容，双电层电容、黄金电容、法拉电容，是一种通过极化电解质来储能的电化学元件。9.超级电容的优点包括：

（1）

；

（2）

；

（3）

；

（4）

；

（5）