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項目四燃料電池汽車 學習目標理解燃料電池汽車的基本概念 熟悉燃料電池的工作原理了解燃料電池的類型了解燃料電池汽車的優(yōu)缺點學習任務描述燃料電池也是電池 那么燃料電池汽車與電動汽車的區(qū)別是什么 燃料電池作為汽車的動力來源 它是如何工作的 1 學習任務 1 燃料電池汽車基礎知識2 燃料電池汽車的工作原理與結構3 燃料電池汽車的實例 2 學習任務 1 燃料電池汽車基礎知識2 燃料電池汽車的工作原理與結構3 燃料電池汽車的實例 3 引導問題1 什么是燃料電池汽車 視頻 氫燃料汽車 燃料電池汽車是指以氫氣 甲醇等為燃料 通過化學反應產(chǎn)生電流 依靠電機驅動的汽車 其核心部件是燃料電池 燃料電池是一種能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陽極和陰極的氧化還原反應將化學能轉化為電能的能量轉換裝置 燃料電池與常規(guī)電池的區(qū)別在于 它工作時需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑 只要持續(xù)供應 燃料電池就會不斷提供電能 燃料電池電動汽車實質(zhì)上是電動汽車的一種 在車身 動力傳動系統(tǒng) 控制系統(tǒng)等方面 燃料電池電動汽車與普通電動汽車基本相同 主要區(qū)別在于動力電池的工作原理不同 4 引導問題2 燃料電池汽車有哪些優(yōu)缺點 與傳統(tǒng)汽車相比 燃料電池汽車具有以下優(yōu)點 1 燃料電池的能量轉換效率極高 2 零排放或近似零排放 3 車輛性能接近內(nèi)燃機汽車 4 結構簡單 運行平穩(wěn) 燃料電池與內(nèi)燃機效率對比 5 引導問題2 燃料電池汽車有哪些優(yōu)缺點 雖然氫燃料電池汽車在環(huán)保方面有很大的優(yōu)勢 但是它還處于發(fā)展的初級階段 如限制其發(fā)展的主要因素有 1 生產(chǎn)成本高目前 不論是液態(tài)氫 氣態(tài)氫 儲氫金屬儲存的氫 還有碳水化合物經(jīng)過重整后轉換的氫是燃料電池的唯一燃料 氫氣的產(chǎn)生 儲存 保管 運輸和灌裝或重整 都比較復雜 對安全性要求很高 燃料電池的燃料的生產(chǎn) 運輸 儲存等成本較高 2 使用配套不足由于氫燃料的生產(chǎn) 儲存 運輸?shù)榷即嬖谝欢ǖ陌踩[患 因此加氫站等基礎網(wǎng)絡設施建設相對落后 這制約著燃料電池汽車的推廣 3 需要配備輔助電池系統(tǒng)燃料電池可以持續(xù)發(fā)電 但不能充電和回收再生制動的反饋能量 通常在燃料電池汽車上須增加輔助電池 來儲存燃料電池富裕的電能和在燃料電池汽車減速時接受再生制動時的能量 6 引導問題3 燃料電池的基本原理 燃料電池的組成及其反應特征 燃料電池由陽極 陰極和離子導電的電解質(zhì)構成 其工作原理與普通電化學電池類似 燃料在陽極氧化 氧化劑在陰極還原 電子從陽極通過負載流向陰極構成電回路 產(chǎn)生電流 燃料電池的基本組成有 電極 電解質(zhì) 燃料和催化劑 二個電極被一個位于它們之間的 攜帶有充電電荷的固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)分開 在電極上 催化劑 常用來加速電化學反應 7 引導問題4 燃料電池有哪些類型 根據(jù)不同分類形式 燃料電池可分為多種 1按電解質(zhì)類型分類常分為 堿性燃料電池 AlkalineFuelCell AFC 磷酸燃料電池 PhosphoricAcidFuelCell PAFC 熔融碳酸鹽燃料電池 MoltenCarbonateFuelCell MCFC 固體氧化物燃料電池 SolidOxideFuelCell SOFC 質(zhì)子交換膜燃料電池 ProtonExchangeMembrane PEMFC 以及甲醇燃料電池等 2按燃料電池發(fā)展分類把磷酸燃料電池稱為第一代燃料電池 把熔融碳酸鹽燃料電池稱為第二代燃料電池 把固體氧化物燃料電池稱為第三代燃料電池 這些電池均需用可燃氣體作為其發(fā)電用的燃料 3按燃料電池工作溫度分類把堿性燃料電池 固體高分子型質(zhì)子膜燃料電池和磷酸型燃料電池稱為低溫燃料電池 把熔融碳酸鹽型燃料電池和固體氧化型燃料電池稱為高溫燃料電池 并且高溫燃料電池又被稱為面向高質(zhì)量排氣而進行聯(lián)合開發(fā)的燃料電池 8 引導問題5 各種燃料電池工作原理 1質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池的關鍵材料與部件為 電催化劑 電極 陰極與陽極 質(zhì)子交換膜 雙極板 基本構成為 電池本體 輔助系統(tǒng) 包括燃料及氧化劑的循環(huán)回路 濕度 溫度及壓力的監(jiān)控 產(chǎn)物水的輸出及熱交換裝置等 和燃料及氧化劑的儲存 或制造 系統(tǒng) 在實際應用中 還有電池的安全系統(tǒng)和功率調(diào)節(jié)系統(tǒng) 9 引導問題5 各種燃料電池工作原理 2堿性燃料電池堿性燃料電池是該技術發(fā)展最快的一種電池 其結構基本與質(zhì)子交換膜燃料電池相似 但其使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì) 堿性燃料電池結構圖 堿性燃料電池的工作溫度大約 因此起動也很快 但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來倍 在汽車中使用顯得笨拙 不過 它們是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的 因此可用于小型的固定發(fā)電裝置 10 引導問題5 各種燃料電池工作原理 3磷酸燃料電池 磷酸燃料電池采用的是100 磷酸電解質(zhì) 其常溫下是固體 相變溫度是42 氫氣燃料被加入到陽極 在催化劑作用下被氧化成為質(zhì)子 氫質(zhì)子和水結合成水合質(zhì)子 同時釋放出兩個自由電子 電子向陰極運動 而水合質(zhì)子通過磷酸電解質(zhì)向陰極移動 如下圖所示 因此 在陰極上 電子 水合質(zhì)子和氧氣在催化劑的作用下生成水分子 磷酸燃料電池的效率比其它燃料電池低 約為 其加熱的時間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長 優(yōu)點是構造簡單 穩(wěn)定 電解質(zhì)揮發(fā)度低等 磷酸燃料電池可用作公共汽車的動力 磷酸燃料電池基本結構 11 引導問題5 各種燃料電池工作原理 4熔融碳酸鹽燃料電池 熔融碳酸鹽燃料電池與上述討論的燃料電池差異較大 這種電池使用 溶化的鋰鉀碳酸鹽 或者 溶化的鋰鈉碳酸鹽 作為電解質(zhì) 當溫度加熱到650 時 這種鹽就會溶化 產(chǎn)生碳酸根離子 從陰極流向陽極 與氫結合生成水 二氧化碳和電子 電子然后通過外部回路返回到陰極 在這過程中發(fā)電 這種電池工作的高溫能在內(nèi)部重整諸如天然氣和石油的碳氫化合物 在燃料電池結構內(nèi)生成氫 且白金催化劑可用廉價的一類鎳金屬代替 其產(chǎn)生的多余熱量還可被聯(lián)合熱電廠利用 這種燃料電池的效率最高可達60 12 引導問題5 各種燃料電池工作原理 5固態(tài)氧化物燃料電池 固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高 其工作溫度位于之間 在這種燃料電池中 當氧陽離子從陰極移動到陽極氧化燃料氣體 主要是氫和一氧化碳的混合物 時便產(chǎn)生能量 陽極生成的電子通過外部電路移動返回到陰極上 減少進入的氧 從而完成循環(huán) 固態(tài)氧化物燃料電池對目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性 由于它們使用固態(tài)的電解質(zhì) 這種電池比溶化的碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定 固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為60 左右 具有為車輛提供備用動力的潛力 13 引導問題5 各種燃料電池工作原理 6甲醇燃料電池 甲醇作為替代氫的燃料 被應用于燃料電池中 原因在于 甲醇是一種液態(tài)燃料 易于存儲 分配與運輸 甲醇也是最單一的有機燃料 可以從豐富的礦物燃料中獲取 可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn) 相比其它燃料電池 甲醇燃料電池技術相對不夠成熟 就當前的技術而言 甲醇燃料電池功率密度較低 功率響應慢 且效率也較低 距離大規(guī)模應用還有一段距離 根據(jù)燃料電池的發(fā)展 質(zhì)子交換膜燃料電池被認為最適合作為電動汽車采用的燃料電池 14 學習任務 1 燃料電池汽車基礎知識2 燃料電池汽車的工作原理與結構3 燃料電池汽車的實例 15 引導問題1 燃料電池汽車有哪些結構類型 燃料電池汽車的結構多種多樣 通常按動力源的組成進行分類 燃料電池汽車的動力源通常包括燃料電池系統(tǒng) FuelCell 蓄電池 Battery 超級電容 Capacitor 純?nèi)剂想姵仳寗?PureFuelCell PFC 的燃料電池電動汽車 PFC汽車結構原理圖 純?nèi)剂想姵仉妱悠囍挥腥剂想姵匾粋€動力源 汽車的所有功率負荷都由燃料電池承擔 但由于燃料電池無法實現(xiàn)充電 因此無法實現(xiàn)電動汽車的制動能量回收 16 引導問題1 燃料電池汽車有哪些結構類型 燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅動 FC B 的FCEV 在該動力系統(tǒng)結構中 燃料電池和蓄電池一起為驅動電機提供能量 驅動電機將電能轉化成機械能傳給傳動系 從而驅動汽車前進 在汽車制動時 驅動電機變成發(fā)電機 蓄電池將儲存回饋的能量 FC B電動汽車結構原理圖 17 引導問題1 燃料電池汽車有哪些結構類型 燃料電池與超級電容聯(lián)合驅動 FC C 的FCEV 這種結構形式與燃料電池 蓄電池結構相似 只是把蓄電池換成超級電容 相對于蓄電池 超級電容充放電效率高 能量損失小 比蓄電池功率密度大 在回收制動能量方面比蓄電池有優(yōu)勢 循環(huán)壽命長 但是超級電容的能量密度較小 燃料電池與輔助蓄電池和超級電容聯(lián)合驅動 FC B C 的FCEV燃料電池 蓄電池和超級電容一起為驅動電機提供能量 驅動電機將電能轉化成機械能傳給傳動系 驅動汽車前進 在汽車制動時 驅動電機變成發(fā)電機 蓄電池和超級電容將儲存回饋的能量 FC B C電動汽車 18 引導問題2 燃料電池汽車的工作原理與總體結構 圖4 10為典型燃料電池汽車結構示意圖 它通常包括燃料電池系統(tǒng) 電機 蓄電池 超級電容 等功能部件組成 燃料電池電動汽車實質(zhì)上是電動汽車的一種 在車身 動力傳動系統(tǒng) 控制系統(tǒng)等方面 燃料電池電動汽車與普通電動汽車基本相同 主要區(qū)別在于動力電池的工作原理不同 19 引導問題3 燃料電池汽車的主要功能總成有哪些 1燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)1 氫燃料電池發(fā)動機 氫燃料電池發(fā)動機系統(tǒng) 1 氫氣供應 管理和回收系統(tǒng) 2 氧氣供應和管理系統(tǒng) 3 水循環(huán)系統(tǒng) 4 電力管理系統(tǒng) 20 引導問題3 燃料電池汽車的主要功能總成有哪些 1燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)2 甲醇燃料電池發(fā)動機 甲醇燃料電池發(fā)動機系統(tǒng) 1 甲醇儲存裝置 2 燃燒器 加熱器和蒸發(fā)器 3 重整器 4 氫氣凈化器 21 引導問題3 燃料電池汽車的主要功能總成有哪些 1燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)3 DC DC變換器DC DC變換器的基本功能 1 當輸入直流電壓在一定范圍內(nèi)變化時 能輸出負載要求的變化范圍的直流電壓 2 輸出負載要求的直流電流 范圍 能夠輸出足夠的直流負載電流 并且能夠允許在足夠寬的負載變化范圍的情況下設備能正常運行 3 變換器是能量傳遞部件 因此需要轉換效率高 以便提高能源的利用率 4 為了降低對燃料電池的輸出電壓要求 變換器應具有升壓功能 5 由于燃料電池輸出的不穩(wěn)定 需要變換器閉環(huán)運行進行穩(wěn)壓 為了給驅動器穩(wěn)定的輸入 需要變換器有較好的動態(tài)調(diào)節(jié)能力 22 引導問題3 燃料電池汽車的主要功能總成有哪些 1燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)4 驅動電機DC DC變換器的基本功能 1 直流電機驅動系統(tǒng)采用換向器和電刷 保證了勵磁磁動勢與電樞磁動勢的嚴格正交 易于控制 但直流電機結構復雜 其高速性能和可靠性受換向器和電刷的影響較大 2 交流電機堅固耐用 結構簡單 技術成熟 免維護 成本低 尤其適合惡劣的工作環(huán)境 其缺點在于損耗大 效率低 功率因數(shù)低 進而導致控制器容量增加 成本上升 23 引導問題3 燃料電池汽車的主要功能總成有哪些 2輔助動力源在FCEV上燃料電池發(fā)動機是主要電源 另外還配備有輔助動力源 根據(jù)FCEV的設計方案不同 其所采用的輔助動力源也有所不同 可以用蓄電池組 飛輪儲能器或超大容量電容器等共同組成雙電源系統(tǒng) 在具有雙電源系統(tǒng)的FCEV上 驅動電動機的電源可以出現(xiàn)以下驅動模式 1 在FCEV起動時 由輔助動力源提供電能帶動燃料電池發(fā)動機起動 或帶動車輛起步 2 車輛行駛時 由燃料電池發(fā)動機提供驅動所需全部電能 剩余的電能儲存到輔助動力源裝置中 3 在加速和爬坡時 若燃料電池發(fā)動機提供的電能還不足以滿足FCEV驅動功率要求 則由輔助動力源提供額外的電能 使驅動電動機的功率或轉矩達到最大 形成燃料電池發(fā)動機與輔助動力源同時供電的雙電源的供電模式 4 貯存制動時反饋的電能 以及向車輛的各種電子 電器設備提供所需要的電能 24 引導問題3 燃料電池汽車的主要功能總成有哪些 3電控系統(tǒng) 燃料電池汽車的動力電控系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動機管理系統(tǒng) 蓄電池管理系統(tǒng) 動力控制系統(tǒng)及整車控制系統(tǒng)組成 如右圖所示 1 發(fā)動機管理系統(tǒng)2 蓄電池管理系統(tǒng)3 動力控制系統(tǒng)4 整車控制系統(tǒng) 燃料電池汽車的動力電控系統(tǒng) 25 引導問題4 燃料電池汽車需要解決哪些關鍵技術 1氫燃料的制取 儲存和運輸2燃料電池汽車整車布置燃料電池汽車在整車布置上存在以下關鍵問題 1 燃料電池發(fā)動機及電機的相關布置 2 動力電池組的車身布置 氫氣瓶的安全布置 3 高壓電安全系統(tǒng)的車身布置問題 這些核心部件的布置 不僅要考慮布置方案的優(yōu)化及零部件性能實現(xiàn)的便利 還要求相關方案必須考慮傳統(tǒng)汽車不具備的安全性問題 燃料電池發(fā)動機自身的運行溫度為左右 實際的散熱系統(tǒng)工作溫度大致可以控制在 必須依賴整車動力系統(tǒng)提供額外的冷卻動力為系統(tǒng)散熱 26 學習任務 1 燃料電池汽車基礎知識2 燃料電池汽車的工作原理與結構3 燃料電池汽車的實例 27 引導問題1 本田FCXClarity介紹 視頻 2007年 本田 Honda 發(fā)布了其旗下的首款市場化的氫氧燃料電池汽車 HondaFCXClarity 它是一款真正體現(xiàn)了綠色 節(jié)能與環(huán)保的汽車 FCXClarity采用氫氣作為車輛燃料電池 質(zhì)子交換膜燃料電池 PEMFC 的能源 HondaFCXClarity可以通過加氫站向車輛添加燃料 HondaFCXClarity 28 引導問題2 本田FCXClarity結構 整車布置 HondaFCXClarity動力系統(tǒng)結構主要由動力控制單元 PowerControlUnit 燃料儲氣罐 HydrogenStorageTank 驅動電機 ElectricMotor 燃料電池堆 FuelCellStack 高功率的鋰離子電池 High OutputBattery 等五部分組成 HondaFCXClarity主要動力部件的整車布置圖 29 引導問題2 本田FCXClarity結構 燃料電池 HondaFCXClarity采用了Honda新開發(fā)的新一代的小型