《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理（第5版）》 課件 第九章 新型汽車動(dòng)力裝置

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理

2024/10/132

目錄緒論第一章發(fā)動(dòng)機(jī)的性能第二章發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣過程第三章燃料與燃燒第四章汽油機(jī)混合氣的形成和燃燒第五章柴油機(jī)混合氣的形成和燃燒第六章汽車發(fā)動(dòng)機(jī)特性第七章車用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪增壓第八章發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染與噪聲控制第九章新型汽車動(dòng)力裝置第十章發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理3第九章新型汽車動(dòng)力裝置

能源問題、環(huán)保問題和安全問題成為困擾汽車業(yè)發(fā)展的三大難題，多能源、高效率、少污染和高安全性是未來汽車的發(fā)展方向。電動(dòng)汽車動(dòng)力裝置因其效率高和清潔性成為未來汽車動(dòng)力的主要發(fā)展方向。電動(dòng)汽車除了在能源、環(huán)保和節(jié)能方面顯示出優(yōu)越性和具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力外，在車輛性能方面也具備巨大的優(yōu)勢(shì)。第一節(jié)概述

電動(dòng)汽車在廣義上可分為3類，即純電動(dòng)汽車(BatteryElectricalVehicle，BEV)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HybridElectricalVehicle，HEV)和燃料電池電動(dòng)汽車(FuelcellElectricalVehicle，F(xiàn)CEV)目前，這3種電動(dòng)汽車都處于不同的發(fā)展階段，面臨著不同的困難和挑戰(zhàn)。2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理45第二節(jié)純電動(dòng)汽車動(dòng)力裝置純電動(dòng)汽車是指以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。純電動(dòng)汽車的動(dòng)力裝置主要包括動(dòng)力電源、電源管理系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)等。2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理6

一、純電動(dòng)汽車動(dòng)力裝置原理按照傳動(dòng)系的不同，純電動(dòng)汽車可以分為：?jiǎn)坞姍C(jī)集中驅(qū)動(dòng)和多電機(jī)分布驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)汽車。2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理7

純電動(dòng)汽車能量來源主要為外部的充電，外部電能通過車載充電機(jī)給二次電源（如蓄電池等）充電，供給車輛能量。同時(shí)，還有一部分能量來自于制動(dòng)能量回收。單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)汽車的工作原理如下：對(duì)于多電機(jī)分布驅(qū)動(dòng)式（如電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)式）電動(dòng)汽車，傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)差別較大，沒有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用電子差速等。2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理8二、動(dòng)力電池純電動(dòng)汽車的動(dòng)力裝置依靠動(dòng)力電源來提供能量，電動(dòng)機(jī)將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過傳動(dòng)裝置或直接驅(qū)動(dòng)車輪和工作裝置。目前，電動(dòng)汽車上應(yīng)用最廣泛的電源是鋰離子動(dòng)力電池，其他可用的電源還有鎳-氫電池、超級(jí)電容等。1、動(dòng)力電源的主要性能指標(biāo)電池容量電池能量能量密度循環(huán)使用壽命電池功率2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理9種類能量密度功率密度(W/kg)壽命（充電次數(shù)）成本特點(diǎn)缺點(diǎn)(Wh/kg)(Wh/L)密封鉛酸3580200400～800低功率密度較大，安全能量密度低鎳-氫30~80140~300250~1000600～1200較高功率密度和能量密度大成本高，溫度特性差鋰離子110~200250~530300~1500500~2000很高高電壓，高能量密度成本高目前商業(yè)化的電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池的性能比較2024/10/13發(fā)動(dòng)機(jī)原理10

2.常用的動(dòng)力電池鉛酸蓄電池：正極采用二氧化鉛（PbO2），負(fù)極采用海綿狀鉛（Pb），電解液是稀硫酸溶液（H2SO4），單體電池標(biāo)稱電壓為2V。其化學(xué)方程式為：鎳-氫蓄電池：正極為Ni(OH)2（充電時(shí)）和NiOOH（放電時(shí)），負(fù)極為H2O（充電時(shí)）和H2（放電時(shí)），電解質(zhì)采用氫氧化鉀溶液。其化學(xué)反應(yīng)方程式為：鋰離子蓄電池：正極是鋰化過渡金屬氧化物，負(fù)極是球狀石墨或球狀石墨與片狀石墨的鋰碳化合物。其化學(xué)方程式為：超級(jí)電容：超級(jí)電容是一種介于傳統(tǒng)電解質(zhì)電容器和電化學(xué)電池之間的新型儲(chǔ)能組件。電化學(xué)電容器是依靠電解質(zhì)與電極間形成特有的雙電層結(jié)構(gòu)（ElectricDoubleLayers）和電極表面的氧化還原反應(yīng)來存儲(chǔ)能量。2024/10/13發(fā)動(dòng)機(jī)原理11雙電層結(jié)構(gòu)示意圖微觀力行成的一層在電極上，另一層在溶液中的兩個(gè)異種電荷層，稱為雙電層。雙電層結(jié)構(gòu)形成一個(gè)平板電容器，其電容量為：其中為固體與液體之間雙電層的電位差，

；Q為雙電層的電荷量；

為從零電荷電位算起的電極電位。電容器存儲(chǔ)能力為Vw為電容器的最大工作電壓。2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理122.電池管理系統(tǒng)現(xiàn)有的研究主要在兩個(gè)方面，一是開發(fā)高性能的電池，另一方面就是采用電池管理系統(tǒng)，在使用方面進(jìn)行優(yōu)化，充分發(fā)揮電池的性能，提高電池的壽命。電池管理系統(tǒng)主要功能：數(shù)據(jù)采集電池狀態(tài)估計(jì)能量管理安全管理熱管理2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理132024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理14三、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用是通過電機(jī)將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過傳動(dòng)裝置或直接驅(qū)動(dòng)車輪和工作裝置。其基本構(gòu)成主要有兩部分：電機(jī)和控制器。2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理15目前電動(dòng)汽車上使用的基本都是交流電機(jī)，在驅(qū)動(dòng)過程中，電能轉(zhuǎn)換裝置按照DC/AC逆變器模式工作，把蓄電池的直流電變換為交流電供給交流電機(jī)；在制動(dòng)能量回收過程中以AC/DC變換器模式工作，把交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能變換為直流電，向蓄電池充電。電動(dòng)汽車對(duì)電機(jī)的要求：轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍大過載能力滿足短時(shí)間內(nèi)加速要求過載能力滿足最大爬坡度要求電機(jī)功率密度高可控性高、穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好能適應(yīng)惡劣環(huán)境2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理16目前電動(dòng)汽車主要采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、三相交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。2.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有控制簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，以前在中小功率電動(dòng)汽車中有廣泛應(yīng)用。通常采用PWM控制。直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)如下：優(yōu)點(diǎn)串勵(lì)電機(jī)（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大）他勵(lì)電機(jī)（轉(zhuǎn)速高）平穩(wěn)切換工作模式容易再生制動(dòng)2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理17缺點(diǎn)有電刷和機(jī)械換向器散熱困難最高轉(zhuǎn)速低體積大功率密度低成本高需要經(jīng)常維護(hù)2.三相交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由三相功率逆變器、三相交流感應(yīng)電機(jī)、電機(jī)控制器、輔助系統(tǒng)組成。三相功率逆變器一般采用絕緣柵極晶體管IGBT以及驅(qū)動(dòng)、自檢測(cè)、自保護(hù)功能融合在一起的智能功率模塊IPM。三相交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)如下：優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)久耐用適應(yīng)性好運(yùn)行可靠冷卻自由度高功率覆蓋范圍廣2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理18缺點(diǎn)控制比較困難3.永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：永磁無刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)永磁無刷直流電機(jī)采用梯形波三相電流向定子線圈供電，最大特點(diǎn)就是具有直流電機(jī)的外特性而沒有換向器和電刷等機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)如下：優(yōu)點(diǎn)沒有勵(lì)磁損耗容易散熱壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠能量密度高，效率高2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理19無刷直流電機(jī)定子供電波形永磁同步電機(jī)采用正弦波三相電流向定子線圈供電，轉(zhuǎn)矩區(qū)比較長(zhǎng)，低速時(shí)采用矢量控制。永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)如下：優(yōu)點(diǎn)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)長(zhǎng)最高轉(zhuǎn)速高調(diào)速性能好能量密度高，效率高缺點(diǎn)功率范圍小控制系統(tǒng)復(fù)雜造價(jià)高2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理20永磁同步電機(jī)定子供電波形2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理212.開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)由磁阻電機(jī)和開關(guān)電路控制器組成。開關(guān)磁阻電機(jī)采用集中繞組結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子無任何繞組，適合用于頻繁正反轉(zhuǎn)及沖擊的負(fù)載。三相交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)如下：優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)久耐用成本低，工作可靠能實(shí)現(xiàn)寬調(diào)速、低速大扭矩冷卻自由度高功率覆蓋范圍廣缺點(diǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較復(fù)雜噪音直流電流波動(dòng)大22第三節(jié)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力裝置混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是指由兩種或兩種以上的儲(chǔ)能器和能量轉(zhuǎn)換器作為驅(qū)動(dòng)能源，其中至少有一種能提供電能的車輛。一般意義上的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是指在一輛汽車中同時(shí)使用電動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力裝置的汽車。一、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力裝置分類混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力裝置按照驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為：（1）串聯(lián)式混合動(dòng)力裝置（2）并聯(lián)式混合動(dòng)力裝置（3）混聯(lián)式混合動(dòng)力裝置2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理23按混合度大小分類輕度混合動(dòng)力混合動(dòng)力有限，不提供純電動(dòng)行駛?cè)旌蟿?dòng)力可以提供一定的純電動(dòng)行駛范圍按照是否可以外接充電分類插電式混合動(dòng)力裝置可以通過電網(wǎng)進(jìn)行充電，電量充足是可以純電動(dòng)工況行駛非插電式混合動(dòng)力裝置不依賴來自電網(wǎng)的電能充電，而通過車載內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)的配合工作達(dá)到自我電量的平衡。2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理242024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理二、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車汽車動(dòng)力裝置工作模式串聯(lián)式混合動(dòng)力裝置串聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)252024/10/13發(fā)動(dòng)機(jī)原理按照輔助動(dòng)力源（發(fā)動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)組）功率值的大小不同，串聯(lián)式混合動(dòng)力裝置有兩種典型的類型：（1）電力主動(dòng)型（電量消耗型）：發(fā)動(dòng)機(jī)占比少，不足以維持電池組的荷電狀態(tài)。（2）發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)型（電量維持型）：發(fā)動(dòng)機(jī)功率占整個(gè)系統(tǒng)功率的百分比較大，電池組僅提供車輛行駛時(shí)的峰值功率。典型的串聯(lián)式混合動(dòng)力裝置工作模式有以下幾種：262024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理典型串聯(lián)式混合動(dòng)力裝置工作模式B—車載電池組E—內(nèi)燃機(jī)F—燃油箱G—發(fā)電機(jī)M—電動(dòng)機(jī)P—功率轉(zhuǎn)換器T—變速箱：機(jī)械連接：電纜連接：功率流2024/10/13發(fā)動(dòng)機(jī)原理27圖a：發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電能和來自蓄電池組的電能共同向車輛提供功率輸出。圖b：發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)組向蓄電池組和車輛提供功率輸出，同時(shí)彌補(bǔ)SOC的衰減。圖c：整車功率需求全部由蓄電池供給，車輛為純電動(dòng)工作，這時(shí)車輛的SOC降低較快。圖d：驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)回收車輛部分動(dòng)能存儲(chǔ)到蓄電池組，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組的全部功率輸出到蓄電池組。并聯(lián)式混合動(dòng)力裝置在典型的并聯(lián)式混合動(dòng)力裝置中，發(fā)動(dòng)機(jī)以常規(guī)模式（傳統(tǒng)汽車的工作模式）工作，但只承擔(dān)部分車輛驅(qū)動(dòng)行駛功率。2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理28典型的并聯(lián)式混合動(dòng)力裝置工作模式有以下幾種：B—車載電池組E—內(nèi)燃機(jī)F—燃油箱G—發(fā)電機(jī)M—電動(dòng)機(jī)P—功率轉(zhuǎn)換器T—變速箱：機(jī)械連接：電纜連接：功率流2024/10/13發(fā)動(dòng)機(jī)原理29圖a：車輛起動(dòng)、輕載行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，車輛由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。圖b：車輛正常行駛時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，加速、爬坡時(shí)，電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作。圖c：車輛在減速/制動(dòng)工況，當(dāng)車載蓄電池組電量偏低時(shí)，電動(dòng)機(jī)回收車輛部分動(dòng)能以向蓄電池組充電。圖d：典型并聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)在電池組SOC過低時(shí)，不能利用發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)其隨車充電，只能采用外界電源補(bǔ)充充電?；炻?lián)式混合動(dòng)力裝置兼有串聯(lián)式和并聯(lián)式混合動(dòng)力裝置的特點(diǎn)，控制方式一般可分為兩種，一種是發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)型，另一種是電力主動(dòng)型。2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理30豐田混合動(dòng)力電動(dòng)汽車Prius工作模式B—車載電池組E—內(nèi)燃機(jī)F—燃油箱G—發(fā)電機(jī)M—電動(dòng)機(jī)P—功率轉(zhuǎn)換器DT—雙軸輸入變速箱：機(jī)械連接：電纜連接：功率流2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理31圖a：發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，而由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛。圖b、c：發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)一起工作，共同提供車輛所需功率。圖d：車輛在減速/制動(dòng)工況，當(dāng)車載蓄電池組電量偏低時(shí)，電動(dòng)機(jī)回收車輛部分動(dòng)能以向蓄電池組充電。圖e：發(fā)動(dòng)機(jī)一部分功率用于驅(qū)動(dòng)車輛，另一部分功率用于給蓄電池組充電。圖f：發(fā)動(dòng)機(jī)在蓄電池電量較低時(shí)通過發(fā)電機(jī)為蓄電池組充電。2024/10/13發(fā)動(dòng)機(jī)原理32三、混合動(dòng)力裝置特性比較串聯(lián)式混合動(dòng)力裝置特性延長(zhǎng)了續(xù)航里程較高的燃油經(jīng)濟(jì)性和低的排放良好的操作性和加速動(dòng)力性串聯(lián)式混合動(dòng)力裝置控制相對(duì)簡(jiǎn)單對(duì)于頻繁起步加速的城市車輛來說有著較大的發(fā)展空間系統(tǒng)需要至少兩個(gè)電機(jī)，成本較高2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理33并聯(lián)式混合動(dòng)力裝置特性比串聯(lián)式混合動(dòng)力裝置的三個(gè)動(dòng)力總成的功率、質(zhì)量和體積要小得多發(fā)動(dòng)機(jī)功率可以選擇較小電動(dòng)機(jī)質(zhì)量和體積較小，配套的電池組的容量也較小，整車的整備質(zhì)量得到控制機(jī)電耦合裝置控制以及能量的分配控制較為復(fù)雜2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理34混聯(lián)式混合動(dòng)力裝置特性可以使其節(jié)能最佳，有害氣體的排放達(dá)到最低能量轉(zhuǎn)換中的綜合效率要比內(nèi)燃機(jī)汽車高發(fā)動(dòng)機(jī)功率可以選擇較小，燃油經(jīng)濟(jì)性比串聯(lián)式混合動(dòng)力裝置要高混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制難度較高2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理35燃料電池是一種將氫和氧的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。由于其轉(zhuǎn)換過程不經(jīng)過燃燒，不受“卡若循環(huán)”的限制，轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)60%～70%，實(shí)際熱效率是內(nèi)燃機(jī)的2倍左右。轉(zhuǎn)換效率高是燃料電池的主要特點(diǎn)之一。一、燃料電池的基本原理燃料電池的基本結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：陽極陰極電解質(zhì)外部電路第四節(jié)燃料電池汽車動(dòng)力裝置2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理36燃料電池工作過程中化學(xué)方程式：陽極反應(yīng)：陰極反應(yīng)：與此同時(shí)，電子在外電路的連接下定向流動(dòng)形成電流，通過適當(dāng)處理，可以向負(fù)載輸出電能。2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理37燃料電池基本原理示意圖2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理38二、燃料電池的分類燃料電池的種類很多，根據(jù)所使用的電解質(zhì)類型的不同，可以把目前正在開發(fā)的商用燃料電池分為以下五類：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（ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC）2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理39類型電解質(zhì)導(dǎo)電離子工作溫度燃料氧化劑堿性燃料電池KOH-H2OOH－80℃純氫純氧質(zhì)子交換膜燃料電池含氟質(zhì)子交換膜H+80～100℃氫氣、重整氫空氣磷酸燃料電池H3PO4H+200℃重整氣空氣熔融碳酸鹽燃料電池Na2CO3CO32－650℃凈化煤氣、天然氣、重整氣空氣固體氧化物燃料電池ZrO2-Y2O3O2－1000℃凈化煤氣、天然氣空氣五種類型燃料電池對(duì)比表2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理40三、質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換摸燃料電池單體主要由膜電極（陽極和陰極、質(zhì)子交換膜）和集流板組成。燃料電池基本原理示意圖2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理41質(zhì)子交換膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)一種厚度為50～180的薄膜片；電解質(zhì)和電極活性物質(zhì)(催化劑)的基底一種選擇透過性膜，只允許H+離子（質(zhì)子）透過，不允許H2分子和其他離子透過2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理42PEM的材料，應(yīng)當(dāng)滿足以下條件:良好的離子導(dǎo)電性材料的分子量充分大水分子在膜中的電滲作用小，H+在其間的遷移速度高水分子在平行離子交換膜表面的方向上有足夠大的擴(kuò)散速度氣體(尤其是氫氣和氧氣)在膜中的滲透性盡可能小膜的水合/脫水可逆性好，不易膨脹膜應(yīng)對(duì)氧化、還原和水解具有穩(wěn)定性足夠高的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度膜的表面性質(zhì)適合于與催化劑結(jié)合2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理43催化劑為了加快電化學(xué)反應(yīng)的速度，氣體擴(kuò)散電極上都含有一定量的催化劑。電極催化劑包括陰極催化劑和陽極催化劑兩類。目前，PEMFC主要采用鉑作為PEMFC的催化劑，它對(duì)于兩個(gè)電極反應(yīng)均具有催化活性，而且可長(zhǎng)期工作。主要研究方向：提高鉑的利用率，降低其用量尋找新的價(jià)格較低的非貴重金屬催化劑2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理44膜電極和集流板膜電極膜電極(MembraneE1ectrodeAssembly，MEA)為PEMFC的心臟，它由質(zhì)子交換膜和其兩側(cè)的多孔氣體擴(kuò)散電極（陽極和陰極）復(fù)合而成。膜電極結(jié)構(gòu)示意圖2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理45影響膜電極性能的因素電極材料制備工藝、方法電池工作環(huán)境電極結(jié)構(gòu)碳載體類型導(dǎo)電網(wǎng)類型聚四氟乙烯含量全氟磺酸含量極板類型2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理46集流板集流板放置在膜電極的兩側(cè)，有陽性集流板和隱性集流板，所以又稱雙極性集流板，簡(jiǎn)稱雙極板和集流板。集流板的主要作用除了導(dǎo)電外，還包括導(dǎo)流燃料、氧氣以及冷卻液。形式：石磨集流板金屬集流板復(fù)合型集流板2024/10/13汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理47質(zhì)子交換膜燃料電池的工作特性燃料電池的效率在理論上可以達(dá)到83%實(shí)際效率在50%～70%之間對(duì)工作環(huán)境的要求比較苛刻必須在較高的壓力下工作溫度升高，燃料電池的功率增大為保證質(zhì)子交換膜處于適當(dāng)?shù)臐駶?rùn)條件，一般工作溫度不超過80℃CO的含量對(duì)燃料電池性能的影響非常大水管理系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)非常重要2024/10/13汽