燃料電池電動(dòng)汽車的基本組成和結(jié)構(gòu)

第四章燃料電池車的根本組成和結(jié)構(gòu)現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)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〔FuelCell〕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(guó)能源部宣布新的汽車研究工程，F(xiàn)reedomCAR工程，長(zhǎng)期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效、價(jià)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(dòng)力，不產(chǎn)生任何污染。該工程繼續(xù)對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行專項(xiàng)研究，但是重點(diǎn)是開展氫燃料電池電動(dòng)汽車。

陽(yáng)極：陰極：電池總反響：質(zhì)子交換膜燃料電池單體主要由膜電極〔陽(yáng)極、陰極〕、質(zhì)子交換膜和集流板組成。其具體反響步驟為：經(jīng)增濕后的H2和O2分別進(jìn)入陽(yáng)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)生氧化和復(fù)原反響：質(zhì)子交換膜燃料電池的反響原理陽(yáng)極反響生成的質(zhì)子〔H+〕通過質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)到達(dá)陰極，陽(yáng)極反響產(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響氣體從陰極室排出。燃料電池的優(yōu)勢(shì)：〔1〕效率高，燃料電池的化學(xué)反響不受卡諾循環(huán)的限制，理論上能量效率可接近80％，實(shí)際效率已達(dá)50～70%?！?〕清潔無污染?！?〕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％，局部功率下運(yùn)行時(shí)效率會(huì)高于額定功率下的效率，可達(dá)約70%，過載功率下運(yùn)行時(shí)效率略低于額定功率的效率，可達(dá)50～55％。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(shí)際運(yùn)行?！?〕過載能力強(qiáng)，燃料電池的短時(shí)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?！?〕設(shè)計(jì)方便性〔6〕低噪音燃料電池的缺乏：1、壓縮氫氣存儲(chǔ)空間問題。2、存儲(chǔ)的平安性及系統(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)生的反響如下：燃料電池大客車2、燃料電池車?yán)鏔uelCellBusofDaimler-Chrysler外形尺寸(mm):11,0702,4903,420滿載總質(zhì)量(kg)：15,000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(chǔ)氫瓶壓力15MPa)燃料電池城市客車設(shè)計(jì)參數(shù)ChineseNationalFCBDemonstration超過8000km的道路行駛試驗(yàn)2004年5月27日在天安門廣場(chǎng)展示整車造型與色彩設(shè)計(jì)整車性能指標(biāo)性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果最高車速（km/h)86.4最大爬坡度（％）180→50km/h加速時(shí)間(s)30.90一次加氫(40km/h勻速)續(xù)駛里程(km)568.7(按35MPa計(jì)算）氫消耗量（kg/100km)4.848等效油耗（汽油L/100km)18.3加速車外噪聲（dB(A)）76.3汽車爬坡試驗(yàn)PerformancesMotorpower： 24kW(60kW)FCEpower： 30kWBattery： 50AHMaxspeed： 110km/hGradeability： >20％Acceleration： 15.9sRange： 220kmEfficient：0.98kg/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(duì)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置供給牽引功率；在制動(dòng)狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將局部制動(dòng)能量變換為電能，并儲(chǔ)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(shí)，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(dòng)機(jī)的輸出功率始終滿足功率要求；2〕峰值電源的能級(jí)始終維持在最正確范圍；3〕燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行在其最正確運(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(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行特性吸收再生制動(dòng)能量。2、燃料電池控制策略3〕牽引模式假設(shè)電動(dòng)機(jī)輸入功率大于燃料電池系統(tǒng)的額定功率，那么應(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峰值電源供給。B.假設(shè)電動(dòng)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，那么燃料電池系統(tǒng)以額定功率運(yùn)行，一局部功率用于驅(qū)動(dòng)系，另一局部功率用于峰值電源。弱峰值電源不需要充電，那么燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行于空載狀態(tài)，由峰值電源單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛。C.假設(shè)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(shí)峰值電源不需要充電，那么由燃料電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛。假設(shè)峰值電源需要充電，那么燃料電池系統(tǒng)以額度功率運(yùn)行，其一局部功率用于驅(qū)動(dòng)車輛，另一局部功率用于向峰值電源充電。3、布置形式問題：本錢、重量、耗氫、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、無法制動(dòng)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)雜問題：對(duì)電池有利、飛輪4、整體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)混合動(dòng)力燃料電池大客車原理電動(dòng)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80~100Ah200～250V驅(qū)動(dòng)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、平安性技術(shù)難點(diǎn)：耗氫估計(jì)氫平安電平安結(jié)構(gòu)平安高電壓·大電流人體觸電防護(hù)電磁波對(duì)周邊影響氫泄漏·滯留氫易燃易爆性氫脆性高壓儲(chǔ)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(shí)間:0分,0秒–氫燃料車輛在左邊，汽油車輛在右邊照片2–時(shí)間:0分,3秒–兩種燃料點(diǎn)火，氫流量2100SCFM，汽油流量680CC/min照片3–時(shí)間:1分,0秒，氫流量減退，汽油車火焰擴(kuò)大照片4–時(shí)間:1分,30秒，照片5–時(shí)間:2分,20秒–內(nèi)部爆燃照片6–時(shí)間:2分,40秒–駕駛座側(cè)后輪胎爆裂50照片7–時(shí)間:2分,40秒–駕駛座側(cè)后輪胎爆裂的殘片飛到乘客側(cè)抗沖擊測(cè)試〔左邊是高空墜落，右邊是槍擊〕高壓氫氣罐耐高溫測(cè)試抗沖擊測(cè)試后進(jìn)行評(píng)估身體電流

(mA)電流持續(xù)時(shí)間

(ms)102501005001000100000.1105010050010001000020020500020001202005100Ω/V500Ω/V人體不會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)的范圍不會(huì)產(chǎn)生有害的生理影響的范圍IEC60479-1直流電流對(duì)人體的影響對(duì)人體造成有害的生理影響的容許電流值為2mA~10mA為此必須確保在任何情況下電系統(tǒng)的絕緣阻抗值＞100Ω/Ｖ3、可靠性4、供氫〔1〕車載制氫〔2〕車載純氫1〕高壓氫氣儲(chǔ)存2〕液態(tài)氫儲(chǔ)存3〕金屬氫化物儲(chǔ)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(chǔ)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求99%99.999%99.9999%99.9999%99.9999%表2.3