第四章-燃料電池電動(dòng)汽車的基本組成和結(jié)構(gòu)

章燃料電池車的基本組成和結(jié)構(gòu)現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù)2021/6/271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2021/6/272一、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，美國能源部宣布新的汽車研究項(xiàng)目，F(xiàn)reedomCAR項(xiàng)目，長期目標(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。該項(xiàng)目繼續(xù)對電動(dòng)汽車進(jìn)行專項(xiàng)研究，但是重點(diǎn)是發(fā)展氫燃料電池電動(dòng)汽車。2021/6/273

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)：2021/6/274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。2021/6/275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(shí)際效率已達(dá)50～70%。（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(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。（4）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。（5）設(shè)計(jì)方便性（6）低噪音2021/6/2762021/6/277燃料電池的不足：1、壓縮氫氣存儲(chǔ)空間問題。2、存儲(chǔ)的安全性及系統(tǒng)效率。3、氫燃料的供給設(shè)施2021/6/278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：2021/6/279燃料電池大客車2、燃料電池車示例2021/6/2710FuelCellBusofDaimler-Chrysler2021/6/27112021/6/27122021/6/2713外形尺寸(mm):11,070

2,490

3,420

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)2021/6/2714ChineseNationalFCBDemonstration超過8000km的道路行駛試驗(yàn)2004年5月27日在天安門廣場展示2021/6/2715整車造型與色彩設(shè)計(jì)2021/6/2716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)）76.32021/6/2717汽車爬坡試驗(yàn)2021/6/27182021/6/2719PerformancesMotorpower： 24kW(60kW)FCEpower： 30kWBattery： 50AHMaxspeed： 110km/hGradeability： >20％Acceleration： 15.9sRange： 220kmEfficient：0.98kg/100km2021/6/27202021/6/2721二、燃料電池車結(jié)構(gòu)1、燃料電池車工作原理2021/6/27221、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(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)，將部分制動(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。2021/6/27232、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)。2021/6/27242、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。2021/6/27252、燃料電池控制策略3）牽引模式若電動(dòng)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峰值電源供應(yīng)。B.若電動(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，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(dòng)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(dú)驅(qū)動(dòng)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(shí)峰值電源不需要充電，則由燃料電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)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(dòng)車輛，另一部分功率用于向峰值電源充電。2021/6/27263、布置形式問題：成本、重量、耗氫、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、無法制動(dòng)回收2021/6/2727問題：電池、控制復(fù)雜2021/6/2728問題：可回饋、性能優(yōu)、容量小2021/6/2729問題：電池、系統(tǒng)復(fù)雜2021/6/2730問題：對電池有利、飛輪2021/6/27314、整體結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)2021/6/2732混合動(dòng)力燃料電池大客車原理2021/6/2733電動(dòng)車控制器2021/6/27342021/6/2735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2021/6/2736豐田燃料電池車市客車FCHV2021/6/2737戴姆勒-克萊斯勒燃料電池城市客車2021/6/2738燃料電池轎車2021/6/2739三、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(diǎn)：耗氫估計(jì)2021/6/2740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(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2021/6/27412021/6/27422021/6/2743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2021/6/2744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/min2021/6/2745照片3–時(shí)間:1分,0秒，氫流量減退，汽油車火焰擴(kuò)大2021/6/2746照片4–時(shí)間:1分,30秒，2021/6/2747照片5–時(shí)間:2分,20秒–內(nèi)部爆燃2021/6/2748照片6–時(shí)間:2分,40秒–駕駛座側(cè)后輪胎爆裂2021/6/2749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)2021/6/2750抗沖擊測試（左邊是高空墜落，右邊是槍擊）2021/6/2751高壓氫氣罐耐高溫測試抗沖擊測試后進(jìn)行評估2021/6/2752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直流電流對人體的影響對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/Ｖ2021/6/27533、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2021/6/2754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各儲(chǔ)氫方法對氫氣純度的要求2021/6/27555