燃料電池電動汽車的基本組成和結(jié)構(gòu)第4章

1、燃料電池電動汽車的基本組成和結(jié)構(gòu)第4章主要內(nèi)容概述燃料電池車的結(jié)構(gòu)燃料電池車的關(guān)鍵問題一、概述1、燃料電池介紹 燃料電池（Fuel Cell）是一種將持續(xù)供給的燃料和氧化劑中的化學(xué)能連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)化成電能的化學(xué)裝置。車用兩種：質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池 2002 年1 月9 日， 美國能源部宣布新的汽車研究項目，F(xiàn)reedomCAR項目，長期目標(biāo)是實現(xiàn)高效、價廉、無污染：研究先進(jìn)、高效的燃料電池技術(shù)，用氫燃料作動力，不產(chǎn)生任何污染。該項目繼續(xù)對電動汽車進(jìn)行專項研究，但是重點是發(fā)展氫燃料電池電動汽車。 陽極： 陰極： 電池總反應(yīng)： 質(zhì)子交換膜燃料電池單體主要由膜電極（陽極、陰極）、質(zhì)子交

2、換膜和集流板組成。其具體反應(yīng)步驟為：經(jīng)增濕后的H2和O2分別進(jìn)入陽極室和陰極室，經(jīng)電極擴(kuò)散層擴(kuò)散到達(dá)催化層和質(zhì)子交換膜的界面，分別在催化劑作用下發(fā)生氧化和還原反應(yīng)：質(zhì)子交換膜燃料電池的反應(yīng)原理 陽極反應(yīng)生成的質(zhì)子（H+）通過質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)到達(dá)陰極，陽極反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過外電路到達(dá)陰極。生成的水以水蒸汽或冷凝水的形式由過剩的陰極反應(yīng)氣體從陰極室排出。燃料電池的優(yōu)勢：（1）效率高，燃料電池的化學(xué)反應(yīng)不受卡諾循環(huán)的限制，理論上能量效率可接近80，實際效率已達(dá)5070%。（2）清潔無污染。（3）效率隨輸出功率變化的特性好，燃料電池的效率在額定功率附近可達(dá)60，部分功率下運(yùn)行時效率會高于額定功率下的效率

3、，可達(dá)約70%，過載功率下運(yùn)行時效率略低于額定功率的效率，可達(dá)5055。燃料電池的效率隨輸出功率變化的特性比內(nèi)燃機(jī)更適合于汽車的實際運(yùn)行。（4）過載能力強(qiáng)，燃料電池的短時過載能力可達(dá)200的額定功率，更適合于汽車的加速、爬坡等工況。（5）設(shè)計方便性（6）低噪音燃料電池的不足：1、壓縮氫氣存儲空間問題。2、存儲的安全性及系統(tǒng)效率。3、氫燃料的供給設(shè)施甲醇經(jīng)過重整, 重整產(chǎn)物為氫氣、碳氧化物。甲醇在重整器中發(fā)生的反應(yīng)如下：燃料電池大客車2、燃料電池車示例 Fuel Cell Bus of Daimler-Chrysler外形尺寸 (mm):11,0702,4903,420 滿載總質(zhì)量 (kg)：1

4、5,000載客數(shù)（人）：50最高車速 (km/h)：70最大爬坡度：15%加速性能 (050km/h)：30s續(xù)駛里程 (km)： 200 (40km/h勻速，儲氫瓶壓力15MPa)燃料電池城市客車設(shè)計參數(shù)Chinese National FCB Demonstration 超過8000km 的道路行駛試驗2004年5月27日在天安門廣場展示整車造型與色彩設(shè)計整車性能指標(biāo)性能指標(biāo)試驗結(jié)果最高車速（km/h)86.4最大爬坡度（）18050km/h加速時間(s)30.90一次加氫(40km/h勻速)續(xù)駛里程(km)568.7(按35MPa計算）氫消耗量（kg/100km)4.848等效油耗（汽油

5、L/100km)18.3加速車外噪聲（dB(A)）76.3汽車爬坡試驗Performances Motor power：24kW (60 kW)FCE power： 30 kWBattery ： 50AHMax speed： 110 km/hGrade ability ： 20Acceleration：15.9sRange ： 220 kmEfficient： 0.98 kg/100km二、燃料電池車結(jié)構(gòu)1、燃料電池車工作原理1、燃料電池車工作原理急劇加速狀態(tài)下，對應(yīng)于峰值功率指令，燃料電池系統(tǒng)與峰值電源兩者都向電動機(jī)驅(qū)動裝置供給牽引功率；在制動狀態(tài)下，電動機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將部分制動能量變

6、換為電能，并儲存在峰值電源中；當(dāng)負(fù)載功率小于燃料電池系統(tǒng)的額度功率時，峰值電源也能從燃料電池系統(tǒng)補(bǔ)充、恢復(fù)其能量。2、燃料電池控制策略功能：1）電動機(jī)的輸出功率始終滿足功率要求；2）峰值電源的能級始終維持在最佳范圍；3）燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行在其最佳運(yùn)行區(qū)。2、燃料電池控制策略1）停頓模式燃料電池系統(tǒng)和峰值電源都不向驅(qū)動系供給功率，燃料電池系統(tǒng)可運(yùn)行在空載狀態(tài)。2）制動模式燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行在空載狀態(tài)，而峰值電源依據(jù)制動系統(tǒng)運(yùn)行特性吸收再生制動能量。2、燃料電池控制策略3）牽引模式若電動機(jī)輸入功率大于燃料電池系統(tǒng)的額定功率，則應(yīng)用混合牽引模式。燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行在其額定功率狀態(tài)，而剩余的功率的功率需求由

7、峰值電源供應(yīng)。B. 若電動機(jī)輸入功率小于燃料電池系統(tǒng)預(yù)設(shè)的最小功率，且峰值電源需要充電，則燃料電池系統(tǒng)以額定功率運(yùn)行，一部分功率用于驅(qū)動系，另一部分功率用于峰值電源。弱峰值電源不需要充電，則燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行于空載狀態(tài)，由峰值電源單獨驅(qū)動車輛。C. 若負(fù)載功率大于燃料電池鎖預(yù)設(shè)的最小功率，并小于燃料電池的額度功率，同時峰值電源不需要充電，則由燃料電池單獨驅(qū)動車輛。若峰值電源需要充電，則燃料電池系統(tǒng)以額度功率運(yùn)行，其一部分功率用于驅(qū)動車輛，另一部分功率用于向峰值電源充電。3、布置形式問題：成本、重量、耗氫、動態(tài)響應(yīng)、無法制動回收問題：電池、控制復(fù)雜問題：可回饋、性能優(yōu)、容量小問題：電池、系統(tǒng)復(fù)雜問

8、題：對電池有利、飛輪4、整體結(jié)構(gòu)與設(shè)計混合動力燃料電池大客車原理電動車控制器系統(tǒng)構(gòu)型上海神力燃料電池130kW雙向DCDC放電：50kW充電：20kW鎳氫或鋰離子電池80100Ah200250V驅(qū)動電機(jī)額定100kW最大180kW目標(biāo)樣車豐田燃料電池車市客車FCHV 戴姆勒-克萊斯勒燃料電池城市客車 燃料電池轎車三、燃料電池車的關(guān)鍵問題1、經(jīng)濟(jì)性節(jié)省耗氫，匹配優(yōu)化2、安全性技術(shù)難點：耗氫估計氫安全電安全結(jié)構(gòu)安全高電壓大電流人體觸電防護(hù)電磁波對周邊影響氫泄漏滯留氫易燃易爆性氫脆性高壓儲氫系統(tǒng)的碰撞保護(hù)高壓電系統(tǒng)的碰撞保護(hù)輕量化帶來的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題照片 1 時間: 0分, 0 秒 氫燃料車輛在左邊，

9、汽油車輛在右邊 照片 2 時間: 0分, 3 秒 兩種燃料點火，氫流量2100SCFM，汽油流量680CC/min照片 3 時間: 1分, 0 秒，氫流量減退，汽油車火焰擴(kuò)大照片4 時間: 1分, 30 秒，照片 5 時間: 2 分, 20 秒 內(nèi)部爆燃 照片 6 時間: 2 分, 40 秒 駕駛座側(cè)后輪胎爆裂照片 7 時間: 2 分, 40 秒 駕駛座側(cè)后輪胎爆裂的殘片飛到乘客側(cè)50抗沖擊測試（左邊是高空墜落，右邊是槍擊） 高壓氫氣罐耐高溫測試 抗沖擊測試后進(jìn)行評估 身體電流 (mA)電流持續(xù)時間 (ms)102501005001000100000.1105010050010001000020020500020001202005100/V500/V人體不會產(chǎn)生反應(yīng)的范圍不會產(chǎn)生有害的生理影響的范圍IEC 60479-1直流電流對人體的影響對人體造成有害的生理影響的容許電流值為2mA10mA為此必須確保在任何情況下電系統(tǒng)的絕緣阻抗值100/3、可靠性4、供氫 （1）車載制氫（2）車載純氫 1）高壓氫氣儲存2）液態(tài)氫儲存3）金屬氫化物儲氫4）活性炭吸附貯氫5）碳納米材料貯氫存氫方法高壓氫液 氫金屬儲氫活性炭納米碳管氫氣純度純氫高純氫超純氫超純氫超純氫要