電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)與原理-第四章燃料電池

電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)與原理_第四章燃料電池第一頁(yè)，共134頁(yè)。電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)與原理第四章燃料電池電動(dòng)汽車第二頁(yè)，共134頁(yè)。第四章燃料電池電動(dòng)汽車4.1氫能、燃料電池及其動(dòng)力系統(tǒng)

4.2燃料電池的結(jié)構(gòu)及性能

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析第三頁(yè)，共134頁(yè)。第四章燃料電池電動(dòng)汽車※重點(diǎn)氫能源燃料電池的不同結(jié)構(gòu)類型和性能質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)和性能※難點(diǎn)燃料電池結(jié)構(gòu)和原理第四頁(yè)，共134頁(yè)。4.1

氫能、燃料電池及其動(dòng)力系統(tǒng)4.1.1氫能4.1.2燃料電池概述4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)第五頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.1氫能現(xiàn)在生活和生產(chǎn)用能

固定能源：電網(wǎng)的電（水電、火電、核電、風(fēng)能發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等）

移動(dòng)動(dòng)力源：以石油為代表的液體燃料（汽車、飛機(jī)等）

化學(xué)電源：電池（手機(jī)、各種小型電動(dòng)工具）后石油時(shí)代大型移動(dòng)動(dòng)力源(如汽車動(dòng)力源)的解決方案

生物燃料如生物柴油、乙醇等

開發(fā)高比能量、高比功率的二次電池，發(fā)展電動(dòng)車

以氫為能量載體，用燃料電池發(fā)電(即所謂氫能經(jīng)濟(jì))第六頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.1氫能氫氣具有比任何燃料都高的比能量燃料比能量(Wh/kg)能量密度(Wh/L)壓縮氫氣a33600600液態(tài)氫氣b336002400儲(chǔ)氫鎂24002100儲(chǔ)氫釩7004500甲醇57004500汽油124009100a:環(huán)境溫度@20MPa壓力；b:低溫環(huán)境@0.1MPa壓力第七頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.1氫能氫能時(shí)代的能源系統(tǒng)第八頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.1氫能氫能來(lái)源

礦物燃料制氫適合作小型車車載能源第九頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.1氫能氫能來(lái)源

再生能源電解制氫減少垃圾第十頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.1氫能加氫站第十一頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.1氫能家用氫能站第十二頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.1氫能儲(chǔ)氫方法(1)壓縮氫氣(CHG)將CHG裝在20~35MPa玻璃纖維加強(qiáng)的鋁瓶中。

優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕、成本低、技術(shù)成熟以及燃料補(bǔ)充迅速等。

缺點(diǎn)：體積大、存在安全問題。(2)液態(tài)氫冷凍氫氣至-253℃以下，形成液態(tài)氫，并儲(chǔ)存在低溫容器中。

優(yōu)點(diǎn)：體積小、能量密度高、燃料補(bǔ)充迅速。

缺點(diǎn)：生產(chǎn)成本和銷售成本昂貴，具有揮發(fā)性等。(3)儲(chǔ)氫金屬使氫氣與金屬鎂和釩反應(yīng)形成儲(chǔ)氫金屬，儲(chǔ)氫反應(yīng)是可逆的并與分解溫度有關(guān)(最高可達(dá)300℃)。

優(yōu)點(diǎn)：尺寸緊湊、使用安全等。

缺點(diǎn)：氫氣分離溫度高(儲(chǔ)氫鎂分離溫度287℃)以及相對(duì)較低的比能量(儲(chǔ)氫釩比能量為700Wh/kg)?！{米材料儲(chǔ)氫······第十三頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.1氫能儲(chǔ)氫方法壓縮氫氣罐超越3號(hào)FCEVFordFocusFCEV第十四頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.2燃料電池概述燃料電池(FuelCell)是一種把燃料氧化的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的“發(fā)電裝置”。

(問世于1839年)質(zhì)子交換膜燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池

第十五頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.2燃料電池概述燃料電池組成與基本工作原理(1)陽(yáng)極(燃料電極)：為燃料和電解液提供了接觸面，在催化劑作用下發(fā)生氧化反應(yīng)并輸出電子到外電路。(2)陰極(氧氣電極)：為氧氣和電解液提供了接觸面，在催化劑作用下發(fā)生還原反應(yīng)并從外電路接受電子。(3)電解液：用于在陽(yáng)極和陰極之間傳遞燃料反應(yīng)的離子。總反應(yīng)式：2H2+O2→2H2O燃料與氧化劑經(jīng)催化劑作用，經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)生成電能和水。陽(yáng)極(燃料氧化反應(yīng))陰極(氧氣還原反應(yīng))-+e-電解液(離子傳導(dǎo))排放燃料排放氧氣第十六頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.2燃料電池概述燃料電池堆由于單元燃料電池產(chǎn)生的電壓很低(約0.7V)，須將它們串聯(lián)連接，構(gòu)成“燃料電池堆”，才能得到所需工作電壓。第十七頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.2燃料電池概述燃料電池堆

采用雙極板實(shí)現(xiàn)單元燃料電池的連接。

同一塊雙極板的兩個(gè)側(cè)面，分別與相鄰單元燃料電池的陰極和陽(yáng)極接觸。

雙極板還起到將氫送到陽(yáng)極，將氧或空氣送到陰極的作用。第十八頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.2燃料電池概述燃料電池種類

按燃料電池運(yùn)行機(jī)理分類：酸性燃料電池和堿性燃料電池。

按電解質(zhì)種類分類：堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。

按燃料電池工作溫度分類：低溫型(溫度低于200℃，如質(zhì)子交換膜燃料電池)、中溫型(溫度為200~700℃)、高溫型(溫度高于750℃，如熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池)。

按燃料類型分類：氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷、汽油、柴油和天然氣等。有機(jī)燃料和氣體燃料必須經(jīng)過重整器“重整”為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。第十九頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.2燃料電池概述特點(diǎn)

反應(yīng)速度和效率隨參加反應(yīng)氣體參數(shù)的變化而不同，如壓力、溫度、濕度和負(fù)載的變化等。

低電壓、大電流。

輸出電壓隨溫度升高而升高。

輸出電壓隨輸出電流增大而下降。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程時(shí)間長(zhǎng)。第二十頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.2燃料電池概述優(yōu)點(diǎn)

高效：無(wú)燃燒，能量轉(zhuǎn)換不受卡諾循環(huán)的限制，效率高達(dá)50%~60%，通過對(duì)余熱的二次利用，總效率可高達(dá)80%~85%，能量利用效率是普通內(nèi)燃機(jī)的2~3倍。

環(huán)境友好：清潔無(wú)污染，氫/氧燃料電池的產(chǎn)物只有水，屬于零排放或接近零排放（考慮到燃料重整時(shí)）

安靜：無(wú)振動(dòng)與噪聲。

可靠性高：無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，工作時(shí)僅有氣體和水的流動(dòng)。

燃料補(bǔ)充迅速、易于獲得。

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。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(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％。

過載能力強(qiáng)，更適合于汽車的加速、爬坡等工況。燃料電池的短時(shí)過載能力可達(dá)200％的額定功率。第二十一頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.2燃料電池概述存在的問題

在瞬時(shí)大功率需求下性能有限

成本高

需熱管理第二十二頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.2燃料電池概述燃料電池與普通蓄電池的區(qū)別

本質(zhì)區(qū)別

燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，在工作時(shí)必須有燃料輸入，才能產(chǎn)出電能，不存在充電問題。

普通蓄電池是一種能量?jī)?chǔ)存裝置，必須先將電能儲(chǔ)存到電池中，在工作時(shí)只能輸出電能，在工作時(shí)不需輸入燃料。

燃料電池通過不斷供給燃料，可連續(xù)放電。

普通蓄電池必須重復(fù)充電后才可重復(fù)使用，放電是間斷的。

燃料電池需要一套燃料儲(chǔ)存裝置或燃料轉(zhuǎn)換裝置和附屬設(shè)備，才能獲得氫氣，燃料會(huì)隨著電能的產(chǎn)生逐漸消耗，質(zhì)量逐漸減輕。

普通蓄電池沒有其它輔助設(shè)備，不論是充滿電還是放完電，其質(zhì)量和體積基本不變。

燃料電池產(chǎn)生電能時(shí)，反應(yīng)物質(zhì)不斷地消耗不再重復(fù)使用，要不斷地輸入反應(yīng)物質(zhì)。

普通蓄電池充放電時(shí)，活性物質(zhì)反復(fù)進(jìn)行可逆性化學(xué)變化，活性物質(zhì)并不消耗。第二十三頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.2燃料電池概述FCEV對(duì)燃料電池的要求

由單元電池組成的燃料電池組的比能量不低于150~200Wh/kg，比功率不低300~400W/kg。達(dá)到或超過美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合體(USABC)提出的電池性能指標(biāo)水平。

各種輔助裝備的外形尺寸和質(zhì)量應(yīng)盡可能地減少，實(shí)現(xiàn)FC發(fā)動(dòng)機(jī)小型化和輕量化，符合FCEV裝車的要求。

燃料充添方便迅速，燃料電池能打開進(jìn)行電極、電解質(zhì)和催化劑的維護(hù)和更換。

可在常溫條件下工作，不會(huì)發(fā)生燃料氣體和電解液的泄漏或結(jié)冰，有可靠的安全性能。

可在負(fù)荷變化情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，能對(duì)FCEV行駛工況的變化快速響應(yīng)。

各種結(jié)構(gòu)件有足夠的強(qiáng)度和可靠性，能耐受FCEV行駛時(shí)的振動(dòng)和沖擊。第二十四頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.2燃料電池概述燃料電池用于FCEV時(shí)的不足

燃料電池可持續(xù)發(fā)電，但不能開開停停。

不能被充電，不能接受FCEV制動(dòng)或下坡時(shí)所反饋的再生制動(dòng)電能，需要配備其它形式的蓄電池來(lái)存儲(chǔ)燃料電池的多余電能和制動(dòng)或下坡時(shí)所反饋的電能。第二十五頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)外觀圖(100kWPEMFC發(fā)動(dòng)機(jī))第二十六頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)組成示意圖第二十七頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)1-氫氣儲(chǔ)存罐，2-氫氣壓力調(diào)節(jié)裝置，3-熱交換器，4-氫氣循環(huán)泵，5-冷凝器、氣水分離器，6-水箱，7-水泵，8-空氣壓縮機(jī)，9-空氣加濕、去離子過濾裝置，10-燃料電池組，11-電源開關(guān)，12-DC/DC轉(zhuǎn)換器，13-逆變器，14-電動(dòng)機(jī)第二十八頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)組成

氫氣子系統(tǒng)1-氫氣儲(chǔ)存罐，2-氫氣壓力調(diào)節(jié)裝置，3-熱交換器，4-氫氣循環(huán)泵

空氣子系統(tǒng)8-空氣壓縮機(jī)，9-空氣加濕、去離子過濾裝置

燃料電池組

控制子系統(tǒng)

水熱管理子系統(tǒng)5-冷凝器、氣水分離器，6-水箱，7-水泵

電氣系統(tǒng)11-電源開關(guān)，12-DC/DC轉(zhuǎn)換器，13-逆變器，14-電動(dòng)機(jī)第二十九頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)氫氣子系統(tǒng)

氫氣裝載容器要求能保持低溫，可承受高壓的可靠密封和具有高效的安全防護(hù)。

氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的泵、管道、閥門和控制裝置必須嚴(yán)密密封，在承受氣體壓力作用時(shí)不允許有任何泄漏和銹蝕。

氫氣供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，對(duì)氫氣子系統(tǒng)中的壓力、溫度、流量和泄漏進(jìn)行有效地監(jiān)控，并在發(fā)生泄漏和事故時(shí)能及時(shí)報(bào)警和自動(dòng)關(guān)閉，以保證系統(tǒng)的安全?？諝庾酉到y(tǒng)

空氣子系統(tǒng)的泵、管道、閥門和控制裝置等，與氫氣儲(chǔ)存裝置具有相同的密封性能。

空氣供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。第三十頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制子系統(tǒng)根據(jù)參加反應(yīng)氣體的反應(yīng)條件變化，對(duì)燃料電池電響應(yīng)的速度和效率進(jìn)行控制，將反應(yīng)過程控制在適合的范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)燃料電池輸出功率。水熱管理子系統(tǒng)水采用循環(huán)系統(tǒng)管理，熱量用于預(yù)熱和暖氣。第三十一頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)DC/DC轉(zhuǎn)換器

FC發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件。

功能：FC具有低電壓、大電流的特點(diǎn)，F(xiàn)C電壓變化范圍大。DC/DC與FC相匹配，將FC的電流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定、可控的直流電源，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定FC發(fā)動(dòng)機(jī)輸出電壓(使電壓波動(dòng)在允許范圍內(nèi))，并對(duì)FCEV行駛載荷的變化響應(yīng)靈敏，以保證FC發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能達(dá)到FCEV的動(dòng)力性能要求。

組成：由電流變換器、變壓器、整流器等組成，由智能模塊控制。第三十二頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在FCEV上的應(yīng)用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)(如空調(diào)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等)。第三十三頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在FCEV上的應(yīng)用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)于各元部件連接圖第三十四頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性

燃料電池組的密封

氫氣進(jìn)入燃料電池之前，氫氣與氧氣(空氣)應(yīng)完全隔絕并有嚴(yán)密的防泄漏裝備。如果密封不好，氫氣與氧氣在反應(yīng)前因泄漏而混合，會(huì)嚴(yán)重地影響燃料電池的效率。如果氫氣泄漏到系統(tǒng)外，在適當(dāng)?shù)臈l件下，可能引發(fā)氫氣的燃燒，嚴(yán)重的還會(huì)因氫氣泄漏而造成爆炸事故。FCEV行駛中有顛簸和振動(dòng)，對(duì)燃料電池的密封性要求更加嚴(yán)格。

FCEV的乘員安全燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的布置應(yīng)盡可能與乘客區(qū)分開，采取有效的安全防范措施，裝配報(bào)警系統(tǒng)和應(yīng)急防護(hù)系統(tǒng)，以確保乘員的安全。第三十五頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)FCEV的安全性

第三十六頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)例“十五”863計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)成果展示燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)課題圓滿通過驗(yàn)收第三十七頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)例神力40kW低壓燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率40.39kW啟動(dòng)時(shí)間冷?。?7s

熱怠：1.6s冷額：115s

熱額：29s質(zhì)量比功率161W/kg氫利用率92.65％電堆效率50.44％FC發(fā)動(dòng)機(jī)

系統(tǒng)效率46.26％第三十八頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)例

神力100kW低壓燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率100kW過載功率130kW啟動(dòng)時(shí)間3s質(zhì)量比功率127W/kg氫利用率97

％電堆效率52.3％FC發(fā)動(dòng)機(jī)

系統(tǒng)效率56

％第三十九頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)例

新源動(dòng)力40kW低壓燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率41.7kW過載功率46.1kW啟動(dòng)時(shí)間冷?。?.2s

熱?。?.2s冷額：98.4s熱額：8s質(zhì)量比功率150W/kg氫利用率95.7

％電堆效率52.4

％FC發(fā)動(dòng)機(jī)

系統(tǒng)效率46.40

％第四十頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)例

大化所100kW低壓燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率100kW過載功率130kW啟動(dòng)時(shí)間6s質(zhì)量比功率100W/kg氫利用率96.7

％電堆效率47％FC發(fā)動(dòng)機(jī)

系統(tǒng)效率54.7％第四十一頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)“十一五”863計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)性能指標(biāo)第一輪開發(fā)（2008年指標(biāo)）第二輪開發(fā)（2010年指標(biāo)）系統(tǒng)性能系統(tǒng)質(zhì)量比功率≥220-260W/kg（不包括氫源）模塊比功率質(zhì)量比功率:常壓：600W/kg加壓：1000W/kg體積比功率：1000W/L效率額定工況：40％常用工況最佳效率：50－60％環(huán)境適應(yīng)性低溫環(huán)境-10℃儲(chǔ)存與啟動(dòng)-20℃儲(chǔ)存與啟動(dòng)污染環(huán)境空氣：長(zhǎng)時(shí)間，三級(jí)污染城市氫氣：CO:10PPm；H2S:0.1PPM成本電池模塊3000元/kW(批量生產(chǎn))2000元/kW全系統(tǒng)凈輸出5000元/kW(批量生產(chǎn))3000元/kW壽命電池組3000h

(按指定的加速試驗(yàn)方法)5000h

(按指定的加速試驗(yàn)方法)第四十二頁(yè)，共134頁(yè)。4.1.3燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向當(dāng)前遠(yuǎn)期目標(biāo)近期目標(biāo)電堆成本加濕抗凍結(jié)溫度冷卻劑溫度硫耐受度壽命平均故障間隔

(1000hr)啟/停循環(huán)次數(shù)單體電壓衰減率系統(tǒng)比功率電流密度Pt使用量第四十三頁(yè)，共134頁(yè)。4.2燃料電池的結(jié)構(gòu)及性能4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)4.2.2直接甲醇燃料電池(DMFC)4.2.3酸性燃料電池4.2.4堿性燃料電池(AFC)4.2.5熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)4.2.6固體氧化物燃料電池(SOFC)4.2.7各種燃料電池性能比較第四十四頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池基本結(jié)構(gòu)由三種基本元件組成：

一個(gè)質(zhì)子交換膜（兩側(cè)載有催化劑鉑）

兩個(gè)電極（兼氣體擴(kuò)散層）

兩個(gè)流場(chǎng)板（雙極板）外電路燃料氫H2未用完的氫再循環(huán)流場(chǎng)板催化劑氣體擴(kuò)散電極(陽(yáng)極)氧O2(來(lái)自于空氣)熱(85℃)

液冷或風(fēng)冷空氣+水蒸汽流場(chǎng)板催化劑氣體擴(kuò)散電極(陰極)質(zhì)子交換膜FC效率40%~60%ProtonExchangeMembraneFuelCell(PEMFC)第四十五頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理陽(yáng)極反應(yīng)：2H2→

4H＋+4e－陰極反應(yīng)：O2+4e－+4H＋→2H2O總反應(yīng)：2H2+O2→

2H2O第四十六頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1

質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理

氫氣H2在陽(yáng)極經(jīng)催化劑作用發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子e-，轉(zhuǎn)變?yōu)闅潆x子H+。(1個(gè)H原子=1個(gè)H離子(質(zhì)子)+1個(gè)電子)

H+經(jīng)質(zhì)子交換膜移至陰極，e-經(jīng)外電路移至陰極。

移至陰極的H+、e-和陰極處的氧氣經(jīng)催化劑作用發(fā)生還原反應(yīng)生成水。氫離子H＋可穿過質(zhì)子交換膜，電子不能穿過質(zhì)子交換膜，電子只能經(jīng)外部電路從陽(yáng)極到陰極。氫氣(來(lái)自氫罐)陽(yáng)極催化劑陰極催化劑氧氣(來(lái)自空氣)排放質(zhì)子交換膜電流第四十七頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1

質(zhì)子交換膜燃料電池詳細(xì)工作原理

在燃料電池里，陽(yáng)極和陰極被電解質(zhì)膜隔開，電解質(zhì)膜內(nèi)載有固態(tài)酸電解質(zhì)，電解質(zhì)內(nèi)具有自由氫離子H＋。在PEM燃料電池里，該固態(tài)酸電解質(zhì)被水飽和，其中含有游離H＋，因此能完成氫離子從陽(yáng)極轉(zhuǎn)移至陰極的任務(wù)，但電子是不能穿越電解質(zhì)膜的。氫離子H＋也叫質(zhì)子，因而有聚合物質(zhì)子交換膜（PEM）這個(gè)名稱。氫燃料流入靠陽(yáng)極側(cè)的雙極板流道內(nèi)，氧則流入靠陰極側(cè)的流場(chǎng)板（雙極板）流道內(nèi)。

氫和氧反應(yīng)如何產(chǎn)生電流？電子從那里來(lái)？在陽(yáng)極，氫分子首先會(huì)與電極表面的催化劑鉑接觸，氫分子被分裂并鍵合在鉑表面，形成弱的H－Pt鍵。氫分子分裂后，氧化反應(yīng)就發(fā)生，每一個(gè)氫原子釋放其電子，此電子沿外電路運(yùn)動(dòng)，到達(dá)陰極（這種電子的流動(dòng)，形成電流）。而剩下的氫質(zhì)子黏附在膜表面的水分子上，形成水合氫離子hydroniumion（H3O＋）。這些水合氫離子離開鉑催化劑，在陰極負(fù)電荷吸引下，穿越膜材料到達(dá)陰極，鉑催化劑又獲得自由，可以接待下一撥氫分子。在陰極，進(jìn)入燃料電池的氧分子也是首先與電極表面的催化劑鉑接觸，氧分子分被分裂并鍵合在鉑表面，形成弱的O－Pt鍵，使得還原反應(yīng)能夠發(fā)生。然后每一個(gè)氧原子離開鉑催化劑，與來(lái)自外電路的兩個(gè)電子和從膜穿過來(lái)的兩個(gè)質(zhì)子化合成一個(gè)水分子。至此氧化還原反應(yīng)就被完成。陰極上的催化劑再一次獲得自由，等待下一撥氧分子的到來(lái)。

氫和氧在燃料電池里，同時(shí)發(fā)生兩個(gè)“半反應(yīng)”，一個(gè)是在陽(yáng)極發(fā)生的氧化反應(yīng)（失去電子），另一個(gè)是在陰極發(fā)生的還原反應(yīng)（得到電子），這兩個(gè)反應(yīng)構(gòu)成了一個(gè)總的氧化－還原反應(yīng)（氧化還原作用），反應(yīng)生成物為水。第四十八頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵部件

質(zhì)子交換膜PEM(ProtonExchangeMembrane)材料：使用的材料Nafion是由疏水材料聚四氟乙烯鏈(商品名Teflon)形成膜的骨架，及附在Teflon端部、具有磺酸(HSO3)基團(tuán)的側(cè)鏈組成(全氟磺酸膜)。環(huán)繞在磺酸側(cè)鏈周圍的含水區(qū)成為電解質(zhì)。Nafion115PEM第四十九頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵部件

質(zhì)子交換膜PEM(ProtonExchangeMembrane)性能要求：具有選擇透過性，導(dǎo)電性，適度的含水率，對(duì)氧化、還原和水解具有穩(wěn)定性，足夠高的強(qiáng)度，膜表面適合與催化劑結(jié)合。主要質(zhì)子交換膜及其生產(chǎn)廠家名稱開發(fā)者名稱開發(fā)者Nafion系列美國(guó)杜邦公司Flemion膜日本Asahi公司XUS—B204膜美國(guó)DOW化學(xué)公司C膜日本氯工程公司Aciplex系列膜日本Asahi公司BAM型膜加拿大巴拉德公司第五十頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵部件

膜電極組件MEA(MembraneElectrodeAssembly)膜電極組件通常由電極(又叫氣體擴(kuò)散層)、催化劑層和質(zhì)子交換膜層等組成。鉑微粒固定在相對(duì)較大的碳粉粒子上，催化劑一般為鉑，目標(biāo)用量為0.2mg/cm2。碳支撐質(zhì)子交換膜層5LStandardMEA4cm2(Nafion112)

第五十一頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵部件

雙極板作用：用于實(shí)現(xiàn)燃料電池內(nèi)部連接。同一塊雙極板的兩個(gè)側(cè)面，分別與相鄰燃料電池的陰極和陽(yáng)極接觸，同時(shí)雙極板還起到把氫送到陽(yáng)極，和把氧或空氣送到陰極的作用。環(huán)境壓力燃料電池第五十二頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池關(guān)鍵部件

雙極板材料(電導(dǎo)體)：石墨，表面改性的金屬，炭黑——聚合物合成材料雙極板第五十三頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池水管理

質(zhì)子交換膜中的電解質(zhì)必須含有足夠的水，才能保證有良好的離子傳導(dǎo)性，但水也不能太多，否則它會(huì)涌入并堵塞電極或氣體擴(kuò)散層中的孔通道。

作用通過水管理維持燃料電池內(nèi)部的水平衡，使質(zhì)子交換膜保持濕潤(rùn)且陰極不淹漬。

燃料電池中水的來(lái)源

(1)氫氧反應(yīng)產(chǎn)生的水(2)對(duì)反應(yīng)氣體加濕帶進(jìn)來(lái)的水第五十四頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池影響燃料電池工作特性的因素電堆技術(shù)狀況；燃料電池工作條件；燃料電池系統(tǒng)水管理和熱管理1、電堆技術(shù)狀況對(duì)工作特性的影響

MEA的結(jié)構(gòu)、制備方式和條件

質(zhì)子交換膜的類型、厚度、預(yù)處理情況、傳導(dǎo)質(zhì)子的能力、熱穩(wěn)定性能

催化劑的含量和制備方法等

雙極板的結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)設(shè)計(jì)等第五十五頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池影響燃料電池工作特性的因素2、燃料電池工作條件對(duì)工作特性的影響

電流密度、工作電壓、功率密度及能量效率的關(guān)系

電流增大，則工作電壓下降，功率增大，效率下降。

PEMFC的電壓、電流和功率特性第五十六頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池影響燃料電池工作特性的因素2、燃料電池工作條件對(duì)工作特性的影響

工作壓力的影響

氣體(氫氣和氧氣)壓力越高，燃料電池性能越好，尤其是陰極的反應(yīng)物(氧氣或空氣)壓力對(duì)電池性能的影響更加明顯。為減少氫氣和氧氣通過交換膜相互擴(kuò)散，從而避免氫氧混合物引起危險(xiǎn)，應(yīng)盡可能減少膜兩側(cè)的壓力差。第五十七頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池影響燃料電池工作特性的因素2、燃料電池工作條件對(duì)工作特性的影響

工作溫度的影響為保證質(zhì)子交換膜具有良好的質(zhì)子傳導(dǎo)性，必須保持其適當(dāng)?shù)臐駶?rùn)條件，因此反應(yīng)生成的副產(chǎn)物水應(yīng)盡量為液態(tài)水。在常壓下PEMFC的工作溫度不能超過80℃，在0.4~0.5MPa(4~5個(gè)大氣壓)壓力下不能高于102℃。隨溫度的升高，燃料電池內(nèi)阻減小，在相同的電流密度下，工作電壓升高，功率增大，效率提高。PEMFC的溫度特性第五十八頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池影響燃料電池工作特性的因素2、燃料電池工作條件對(duì)工作特性的影響

燃料氣體中雜質(zhì)的影響CO，CO2，N2會(huì)影響燃料電池性能，使其電壓下降。燃料氣體中的CO對(duì)燃料電池性能的影響燃料氣體組成單體工作電壓(V)純H20.675％H2／25％CO20.3175％H2／25％N20.5898％H2／2％CO0.51燃料氣體中其它雜質(zhì)的影響(電流密度1000mA／cm2)第五十九頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池性能工作溫度(℃)功率密度(W/cm2)預(yù)期壽命(103h)預(yù)期成本(US$/kW)50~1000.35~0.640200加壓燃料電池環(huán)境壓力燃料電池第六十頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池優(yōu)點(diǎn)

在所有燃料電池中，PEMFC功率密度最高。對(duì)FCEV而言，功率密度越高，則所使用的燃料電池的體積就越小。

工作溫度低，啟動(dòng)迅速適用于車輛使用。

采用固態(tài)電解液，不會(huì)出現(xiàn)電解液的變形、移動(dòng)和蒸發(fā)。

電池中唯一的液體為水，本質(zhì)上可避免腐蝕。

對(duì)進(jìn)入電池反應(yīng)的空氣中的二氧化碳不敏感。缺點(diǎn)

使用貴金屬鉑作電極反應(yīng)催化劑，成本高。解決方法：提高鉑利用率，減少單位面積鉑使用量；采用低價(jià)的非金屬催化劑。

燃料氫氣存儲(chǔ)和運(yùn)輸困難。第六十一頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池影響車用PEMFC壽命的主要原因(1)工況循環(huán)：壓力、溫度、濕度波動(dòng)；電極局部供氣不足導(dǎo)致?lián)w氧化與反極。(2)環(huán)境適應(yīng)性：氫氣、空氣中雜子與零度以下儲(chǔ)存與啟動(dòng)引起的電池衰減。目前車用電堆壽命國(guó)際公布~2200小時(shí)（加壓純?nèi)剂想姵剀?，大于零度?chǔ)存與啟動(dòng)）。損壞主要發(fā)生在空氣進(jìn)出口，膜上有針孔。國(guó)內(nèi)未進(jìn)行嚴(yán)格、長(zhǎng)時(shí)間壽命考核，預(yù)計(jì)小于1000小時(shí)。MEA失效原因有膜串氣、電極親水、催化劑活性與膜電導(dǎo)降低。第六十二頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.1質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)及其應(yīng)用第六十三頁(yè)，共134頁(yè)。課外作業(yè)4簡(jiǎn)述質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)、工作原理、性能和優(yōu)缺點(diǎn)。第六十四頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.2直接甲醇燃料電池基本結(jié)構(gòu)

催化劑：陽(yáng)極和陰極都使用鉑Pt或鉑合金作催化劑。

電解液：酸性硫酸基三氟甲烷或質(zhì)子交換膜。工作原理

陽(yáng)極反應(yīng)：CH3OH+H2O→CO2+6H＋+6e－

陰極反應(yīng)：O2+4H＋+4e－→2H2O

總反應(yīng)：2CH3OH+3O2→2CO2+4H2O陽(yáng)極陰極-+e-PEMH+CH3OH

H2O

CO2CH3OH

H2OAir

H2OAirDirectMethanolFuelCell(DMFC)第六十五頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.2直接甲醇燃料電池性能工作溫度(℃)功率密度(W/cm2)預(yù)期壽命(103h)預(yù)期成本(US$/kW)50~1000.04~0.2310200微型DMFC第六十六頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.2直接甲醇燃料電池優(yōu)點(diǎn)

甲醇CH3OH是最簡(jiǎn)單的液體有機(jī)燃料，來(lái)源豐富，可從煤和天然氣中提取得到，并且生產(chǎn)成本低。

甲醇是液體燃料，易于存儲(chǔ)、運(yùn)輸和銷售，便于電動(dòng)汽車使用。缺點(diǎn)

技術(shù)相對(duì)不成熟。

用于電動(dòng)汽車時(shí)，需要提高功率密度和降低成本。第六十七頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.2直接甲醇燃料電池使用甲醇燃料的PEMFC

組成CH3OH

H2OH2

CO2

工作原理

甲醇與水混合和蒸發(fā)后，通過車載重整器轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳?xì)怏w。重整反應(yīng)：CH3OH+H2O→3H2+CO2

凈化器除去重整產(chǎn)物中使催化劑中毒的二氧化碳等有害氣體.凈化后的氫氣供給PEMFC系統(tǒng)發(fā)電并生成可循環(huán)使用的純水。甲醇容器蒸發(fā)器重整器凈化器PEMFC水箱CO2H2H2O空氣CH3OHH2O第六十八頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.2直接甲醇燃料電池使用甲醇燃料的PEMFC

關(guān)鍵技術(shù)：甲醇重整制氫技術(shù)

蒸汽重整法、局部氧化重整法、廢氣重整法5kW重整器75kW重整器也可對(duì)汽油重整制氫第六十九頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.2直接甲醇燃料電池使用甲醇燃料的PEMFC

優(yōu)點(diǎn)保持甲醇液體燃料的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了DMFC的缺點(diǎn)，使用甲醇燃料的PEMFC系統(tǒng)在電動(dòng)汽車上的使用將極具吸引力。Daimler-Benz和Ballard動(dòng)力系統(tǒng)公司已開發(fā)出使用甲醇燃料的PEMFC—NECAR3，使用38L甲醇燃料可行駛400km。第七十頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.3酸性燃料電池基本結(jié)構(gòu)

催化劑：昂貴的金屬催化劑

電解液：酸性物質(zhì)，如硫酸、氫氟酸和磷酸等。磷酸燃料電池(PAFC)是唯一一種能達(dá)到實(shí)用程度的酸性燃料電池.工作原理

陽(yáng)極反應(yīng)：H2→2H＋+2e－

陰極反應(yīng)：O2+4H＋+4e－→2H2O

總反應(yīng)：2H2+O2→2H2O陽(yáng)極陰極-+e-PAH+H2H2Air

H2OAirPhosphoricAcidFuelCell(PAFC)第七十一頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.3酸性燃料電池性能工作溫度(℃)功率密度(W/cm2)預(yù)期壽命(103h)預(yù)期成本(US$/kW)150~2100.2~0.25401000重整器脫硫、CO

轉(zhuǎn)換器PAFC電堆逆變器第七十二頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.4堿性燃料電池基本結(jié)構(gòu)

催化劑：鎳作陽(yáng)極催化劑，鋰鎳氧化物作陰極催化劑

電解液：堿性物質(zhì)，如氫氧化鉀溶液。工作原理

陽(yáng)極反應(yīng)：H2+2OH－→2H2O+2e－

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e－→4OH－

總反應(yīng)：2H2O+O2→2H2O陽(yáng)極陰極-+e-AOH-H2

H2OH2AirAirAlkaline

FuelCell(AFC)第七十三頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.4堿性燃料電池性能工作溫度(℃)功率密度(W/cm2)預(yù)期壽命(103h)預(yù)期成本(US$/kW)60~1000.2~0.310200優(yōu)點(diǎn)(適用于FCEV使用)

采用低成本催化劑。

較低工作溫度。缺點(diǎn)

工作溫度低于100℃，需要采用專門的方法解決水的排除和回路中的散熱問題。

在空氣進(jìn)入電池內(nèi)部參加反應(yīng)之前，必須徹底去除二氧化碳，因?yàn)榧词购苌俚亩趸茧s質(zhì)也會(huì)與電解液反應(yīng)生成碳酸鹽并沉積在多孔狀電極附近，影響電池性能。第七十四頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.5熔融碳酸鹽燃料電池基本結(jié)構(gòu)

電極：鎳鉻合金作電池陽(yáng)極，鋰鎳氧化物作陰極

電解液：堿性的熔融碳酸鹽(鋰、鉀或鈉)。工作原理

陽(yáng)極反應(yīng)：H2+CO32－→H2O+CO2+2e－

陰極反應(yīng)：O2+2CO2+4e－→2CO32－

總反應(yīng)：2H2O+O2→2H2O陽(yáng)極陰極-+e-MCCO32－H2

CO2

H2OH2Air

CO2Air

CO2MoltenCarbonate

FuelCell(MCFC)二氧化碳由陽(yáng)極到陰極不斷循環(huán)。二氧化碳的獲得可通過燃燒陽(yáng)極附近的反應(yīng)生成物并除去水蒸氣得到或通過交換裝置從陽(yáng)極反應(yīng)生成物中分離得到。第七十五頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.5熔融碳酸鹽燃料電池性能工作溫度(℃)功率密度(W/cm2)預(yù)期壽命(103h)預(yù)期成本(US$/kW)600~7000.1~0.2401000優(yōu)點(diǎn)

由于工作溫度高，電極反應(yīng)良好而不必使用貴金屬或氧化物作電極催化劑。

產(chǎn)生的多余熱量具有相當(dāng)高的溫度(稱作高溫?zé)崃?。缺點(diǎn)

工作溫度高，F(xiàn)CEV使用時(shí)對(duì)材料要求高。第七十六頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.6固體氧化物燃料電池基本結(jié)構(gòu)

電極：陶瓷鎳-氧化鎬作電池陽(yáng)極，涂鍶亞錳鍶作電池陰極

電解液：固態(tài)無(wú)孔的金屬氧化物(通常采用氧化憶作穩(wěn)定劑的氧化鎬)作電解液，通過氧離子在晶格中移動(dòng)傳導(dǎo)離子。工作原理

陽(yáng)極反應(yīng)：H2+O2－→H2O+2e－

陰極反應(yīng)：O2+4e－→2O2－

總反應(yīng)：2H2+O2→2H2O陽(yáng)極陰極-+e-SOO2－H2

H2OH2AirAirSolidOxide

FuelCell(SOFC)第七十七頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.6固體氧化物燃料電池性能工作溫度(℃)功率密度(W/cm2)預(yù)期壽命(103h)預(yù)期成本(US$/kW)900~10000.24~0.3401500優(yōu)點(diǎn)

由于工作溫度高，無(wú)需電極反應(yīng)催化劑。

產(chǎn)生高溫?zé)崃俊?/p>

不受MCFC中從陽(yáng)極生成物中分離二氧化碳并輸入到陰極的限制。缺點(diǎn)

工作溫度過高，在FCEV上的使用受限制。第七十八頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.6固體氧化物燃料電池30個(gè)單體組成的SOFC電堆2X30個(gè)單體組成的SOFC電堆空氣陰極熱交換器天然氣重整器第七十九頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.7各種燃料電池性能比較基本結(jié)構(gòu)與工作原理的比較(PEMFC)(PEMFC)燃料氧氣未用完的燃料和反應(yīng)生成物未用完的氧氣和反應(yīng)生成物陽(yáng)極陰極電解液

第八十頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.7各種燃料電池性能比較性能的比較類型工作溫度(℃)功率密度(W/cm2)預(yù)期壽命(103h)預(yù)期成本(US$/kW)效率(%)PEMFC50~1000.35~0.640200>60DMFC50~1000.04~0.2310200PAFC150~2100.2~0.2540100040AFC60~1000.2~0.31020070MCFC600~7000.1~0.2401000>60SOFC900~10000.24~0.3401500>60第八十一頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.7各種燃料電池性能比較綜合比較類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用范圍PEMFC工作溫度低、啟動(dòng)快、重量小、結(jié)構(gòu)緊湊需用貴金屬作催化劑、成本高、對(duì)燃料的純度要求較高運(yùn)輸業(yè)、便攜式電源PAFC工作特性好、效率較高、對(duì)燃料的純度要求不高鉑作催化劑、體積和重量較大、輸出的電流和功率較低電力工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)AFC在堿性電解液中陰極反應(yīng)較快需要除去燃料、氧化劑中的雜質(zhì)氣體，如：CO2軍事、航空、航天MCFC效率較高、成本較低、可使用多種材料作催化劑有腐蝕性、高溫加速燃料電池部件的損壞電力工業(yè)SOFC效率高、可用多種燃料、催化劑成本低、便于維護(hù)高溫加速燃料電池部件的損壞電力工業(yè)第八十二頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.7各種燃料電池性能比較綜合比較類型電解質(zhì)技術(shù)狀態(tài)規(guī)模PEMFC全氟璜酸膜高度發(fā)展，應(yīng)用于電動(dòng)車、潛艇等可移動(dòng)動(dòng)力源1-300kWDMFC全氟璜酸膜正在開發(fā)，用于微型移動(dòng)動(dòng)力源1-1000kWPAFCH3PO4高度發(fā)展，已用作分散電站1-2000kWAFCKOH高度發(fā)展，已在航天中成功應(yīng)用1-100kWMCFC(Li,K,Na)CO3正在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，需延長(zhǎng)壽命，可以用于區(qū)域性供電250-2000kWSOFC氧化銥穩(wěn)定的氧化鋯需開發(fā)廉價(jià)制備技術(shù)，用于區(qū)域供電，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電1-100kW第八十三頁(yè)，共134頁(yè)。4.2.7各種燃料電池性能比較應(yīng)用于FCEV的比較

MCFC、SOFC工作溫度過高，分別超過了600℃和900℃，難于在電動(dòng)汽車上使用。

DMFC雖已經(jīng)過30多年的發(fā)展，但技術(shù)仍不成熟，應(yīng)用于電動(dòng)汽車時(shí)，還面臨功率密度低的缺點(diǎn)。

PAFC、AFC、PEMFC可在電動(dòng)汽車上使用。但PAFC比AFC的工作溫度和成本高，所以不具吸引力。AFC曾在一些電動(dòng)汽車上得到應(yīng)用。

PEMFC功率密度高，使用壽命長(zhǎng)，工作溫度低，預(yù)期成本低。對(duì)電動(dòng)汽車使用而言，PEMFC優(yōu)于AFC電池，最近電動(dòng)汽車用燃料電池的開發(fā)重點(diǎn)集中在PEMFC。加拿大的Ballard動(dòng)力系統(tǒng)公司在PEMFC技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。第八十四頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車最節(jié)能環(huán)保

節(jié)能各類車輛能量效率對(duì)比：當(dāng)汽油車的能量效率假定為1.0

?

柴油車：1.1~1.25

?汽油混合動(dòng)力車：1.6~2.0?

柴油混合動(dòng)力車：1.8~2.5?

燃料電池車(估計(jì))：2.1~3.0第八十五頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車最節(jié)能環(huán)保

環(huán)保

第八十六頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車最節(jié)能環(huán)保汽車動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展方向第八十七頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車倍受世界各國(guó)重視由于質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）同時(shí)兼?zhèn)錈o(wú)污染、高效率、適用廣、低噪聲、可快速補(bǔ)充能量、具有模塊化結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，被公認(rèn)為是替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的最理想的動(dòng)力裝置。全世界各發(fā)達(dá)國(guó)家及各大汽車公司都非常重視燃料電池的研究開發(fā)。第八十八頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車倍受世界各國(guó)重視

美國(guó)

?美國(guó)能源部的最新報(bào)告指出，燃料電池的研制和開發(fā)“已接近歷史性突破的邊緣”，“歐美日的激烈競(jìng)爭(zhēng)已進(jìn)入沖刺階段”，燃料電池技術(shù)將成為21世紀(jì)“汽車工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)”。

?美國(guó)前礦物能源部長(zhǎng)助理克·西格爾說：“燃料電池技術(shù)在21世紀(jì)上半葉在技術(shù)上的沖擊影響，會(huì)類似于20世紀(jì)上半葉內(nèi)燃機(jī)所起的作用”。?福特汽車公司主管PNGV項(xiàng)目的經(jīng)理鮑伯·默爾稱：燃料電池必定給汽車動(dòng)力帶來(lái)一場(chǎng)革命。第八十九頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車倍受世界各國(guó)重視

美國(guó)

?美國(guó)喬治·布什政府對(duì)燃料電池汽車的研制開發(fā)和推廣應(yīng)用非常重視，美國(guó)聯(lián)邦政府能源部于2002年1月9日提出FreedomCAR(FreedomCooperativeAutomotiveResearch)計(jì)劃，支持新能源汽車的研究開發(fā)，該計(jì)劃在2003年由美國(guó)聯(lián)邦政府投資15029.6萬(wàn)美元，其中燃料電池5000萬(wàn)美元(占33.27％)，氫源設(shè)施2582萬(wàn)美元(占17.18％)，兩者之和占總投資的50％以上。

?2003年2月美國(guó)現(xiàn)任總統(tǒng)喬治·布什向國(guó)會(huì)提出“自由燃料”(FreedomFuel)計(jì)劃，在對(duì)此計(jì)劃發(fā)表的公開講話中指出，“我要國(guó)會(huì)花費(fèi)12億美元的新國(guó)家投資，給氫燃料電池小客車項(xiàng)目，使它能從實(shí)驗(yàn)室走向售車展示室。我們希望看到，今天誕生的小客車將屬于今天誕生的兒童，他（或她）所開的第一輛車，這將是一輛由氫驅(qū)動(dòng)而無(wú)污染的車”；“使用氫動(dòng)力的最大結(jié)果，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)的能源獨(dú)立”，“使我們偉大國(guó)家的未來(lái)公民，極少地依靠外國(guó)能源”。第九十頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車倍受世界各國(guó)重視

日本

?日本政府對(duì)燃料電池汽車的研究開發(fā)和推廣應(yīng)用也表示了極大的關(guān)注。為了促進(jìn)燃料電池汽車的商業(yè)化，由中央和地方政府共同資助在大阪、京都、東京等城市建立加氫站。?2002年,日本提出“氫能—燃料電池示范工程”JHFC。

?2002年年底日本首相小泉純一郎以政府的名義采購(gòu)了5輛燃料電池轎車（豐田公司3輛，本田公司2輛），租給政府各部門使用。

?在2005年名古屋世界博覽會(huì)上日本豐田汽車公司展示了多款燃料電池汽車。第九十一頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車倍受世界各國(guó)重視

全球環(huán)境基金會(huì)GEF、聯(lián)合國(guó)開發(fā)計(jì)劃署UNDP燃料電池大客車示范項(xiàng)目

?為了使發(fā)展中國(guó)家的大城市公共交通車輛改變能源結(jié)構(gòu)、降低有害物排放污染和溫室氣體(CO2)排放，全球環(huán)境基金GEF(GlobalEnvironmentalFacilities)和聯(lián)合國(guó)發(fā)展計(jì)劃署UNDP

(UnitedNationsDevelopmentProgramme)資助巴西圣保羅、墨西哥城、中國(guó)的北京和上海等大城市開展燃料電池公交客車的運(yùn)行示范工程。其目的在于促進(jìn)燃料電池大客車的盡快商業(yè)化。中國(guó)燃料電池公共汽車商用化示范項(xiàng)目于2003年3月27日在北京召開啟動(dòng)會(huì)，該示范項(xiàng)目總投入為3236萬(wàn)美元，其中GEF投入1158萬(wàn)美元，UNDP投入40萬(wàn)美元，國(guó)家科技部、北京市和上海市共投入1458萬(wàn)美元，企業(yè)等其它投入約580萬(wàn)美元。中國(guó)燃料電池公共汽車商用化示范項(xiàng)目為期5年，項(xiàng)目組于2003年12月18日在北京向外界發(fā)布了第一期6輛（北京、上海各3輛）燃料電池大客車的招標(biāo)書，經(jīng)過專家評(píng)審和談判，最后于2004年5月17日在北京與戴姆勒－克萊斯勒中國(guó)（投資）有限公司簽署采購(gòu)3輛燃料電池大客車的合同，合同規(guī)定2005年10月將有3輛戴姆勒－可萊斯勒公司的燃料電池大客車在北京市投入示范運(yùn)營(yíng)。第九十二頁(yè)，共134頁(yè)。

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燃料電池電動(dòng)汽車倍受世界各國(guó)重視

中國(guó)我國(guó)政府非常重視燃料電池汽車關(guān)鍵技術(shù)的研究。

第九十三頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車倍受世界各國(guó)重視

中國(guó)?“九五”期間，國(guó)家科技部將燃料電池關(guān)鍵技術(shù)研究列入國(guó)家攻關(guān)計(jì)劃。?“十五”和“十一五”期間，燃料電池汽車及其關(guān)鍵技術(shù)的研究和樣車的研制開發(fā)，被列入國(guó)家“863”電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)和節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目中，予以重點(diǎn)資助。?國(guó)家科技部啟動(dòng)973基礎(chǔ)研究項(xiàng)目：氫能的規(guī)模制備、儲(chǔ)運(yùn)和相關(guān)燃料電池的研究。?中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)知識(shí)創(chuàng)新工程重大項(xiàng)目：大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)及氫源技術(shù)。?國(guó)內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)和高校相繼投入資金在燃料電池及氫能領(lǐng)域開展研發(fā)工作。第九十四頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車倍受世界各國(guó)重視

中國(guó)燃料電池電動(dòng)汽車發(fā)展計(jì)劃第九十五頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

“十一五”863計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目燃料電池轎車/客車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)

名稱參照標(biāo)準(zhǔn)燃料電池轎車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)動(dòng)力性加速時(shí)間（s）GB/T19752-2005GB18385-2001≤15（0-100km/h）≤25（0-50km/h）

最高車速（km/h）≥150≥80

最大爬坡度（％）≥20≥18

經(jīng)濟(jì)性續(xù)駛里程（km）GB/T19753-2005/GB/T19754-2005GB18386-2001≥300≥300

氫燃料消耗率（kg/100km）≤1.2≤8.5

第九十六頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

“十一五”863計(jì)劃節(jié)能與新能源汽車重大項(xiàng)目燃料電池轎車/客車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)名稱參照標(biāo)準(zhǔn)燃料電池轎車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)環(huán)境適應(yīng)性—/低溫啟動(dòng)：-10℃環(huán)境：-10℃

-40℃相對(duì)濕度：10%-90%

海拔高度：≤1000m

可靠性平均故障間隔里程（km）GB/T19750-2005GB18388-2001≥2000≥2000

噪聲加速行駛車外噪聲GB1495-2002滿足要求

目標(biāo)成本(2008)65萬(wàn)元350

萬(wàn)元

目標(biāo)成本(2010)50萬(wàn)元300萬(wàn)元

第九十七頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車的工作原理第九十八頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車福特汽車公司Focus第九十九頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車福特汽車公司Focus第一百頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車通用汽車公司線控Hy-wire第一百零一頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車豐田汽車公司FCHV(2002)第一百零二頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車豐田汽車公司燃料電池電動(dòng)公共汽車第一百零三頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車豐田汽車公司燃料電池

電動(dòng)公共汽車第一百零四頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車

本田汽車公司FCX第一百零五頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車

本田燃料電池電動(dòng)汽車已實(shí)現(xiàn)-20℃啟動(dòng)。第一百零六頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車中國(guó)燃料電池電動(dòng)汽車的發(fā)展歷程第一百零七頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車?guó)P凰Phoenix(2001)

由通用汽車及其與上汽集團(tuán)合資設(shè)立的泛亞汽車技術(shù)中心有限公司以別克GL8公務(wù)車為平臺(tái)聯(lián)合開發(fā)的中國(guó)第一輛混合動(dòng)力燃料電池車。

采用通用汽車提供的燃料電池組，并由泛亞技術(shù)中心進(jìn)行整車系統(tǒng)集成。通用汽車全球新驅(qū)動(dòng)技術(shù)中心的科學(xué)家和工程師們提供零部件和技術(shù)支持。通用汽車公司專門為“鳳凰”提供的便攜式氫燃料補(bǔ)給站可為“鳳凰”車補(bǔ)充能源。第一百零八頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車?guó)P凰Phoenix(2001)

串聯(lián)型的燃料電池與蓄電池驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力車，可容納8位乘客。燃料電池35kWPEMFC燃料壓縮氫氣蓄電池69kW動(dòng)力性最高車速113km/h

0~100km/h加速時(shí)間13.5s第一百零九頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車

綠能(2002)

北京飛馳綠能電源技術(shù)有限責(zé)任公司(中國(guó)最大的氫能產(chǎn)業(yè)與燃料電池生產(chǎn)企業(yè)之一)開發(fā)的5座燃料電池車。燃料電池18kWPEMFC燃料壓縮氫氣第一百一十頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車

綠能(2002)

北京飛馳綠能電源技術(shù)有限責(zé)任公司(中國(guó)最大的氫能產(chǎn)業(yè)與燃料電池生產(chǎn)企業(yè)之一)開發(fā)的5座燃料電池車。燃料電池18kWPEMFC燃料壓縮氫氣第一百一十一頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車

綠能(2002)

北京飛馳綠能電源技術(shù)有限責(zé)任公司(中國(guó)最大的氫能產(chǎn)業(yè)與燃料電池生產(chǎn)企業(yè)之一)開發(fā)的12座燃料電池車燃料電池18kWPEMFC燃料壓縮氫氣續(xù)駛里程165km第一百一十二頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車我國(guó)“超越”系列燃料電池電動(dòng)轎車的研發(fā)第一百一十三頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車燃料電池轎車動(dòng)力平臺(tái)超越三號(hào)–S3000超越三號(hào)–東方之子第一百一十四頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車我國(guó)“超越1號(hào)”燃料電池電動(dòng)轎車第一百一十五頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車我國(guó)“超越2號(hào)”燃料電池電動(dòng)轎車第一百一十六頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)車我國(guó)“超越3號(hào)”燃料電池電動(dòng)轎車第一百一十七頁(yè)，共134頁(yè)。

4.3燃料電池電動(dòng)汽車實(shí)例分析

電動(dòng)汽車實(shí)車“超越”系列燃料電池電動(dòng)轎車主要技術(shù)參數(shù)

超越1號(hào)超越2號(hào)超越3號(hào)整備質(zhì)量(kg)17301640FCE功率(kW)404050電機(jī)永磁同步，