1、第章氢燃料电池汽车第章氢燃料电池汽车第第3 3章章 燃料电池汽车燃料电池汽车知识点知识点:1 1燃料电池的发电原理。燃料电池的发电原理。2 2燃料电池的分类。燃料电池的分类。3 3燃料电函的特点及应用。燃料电函的特点及应用。4 4燃料电池汽车开展。燃料电池汽车开展。5 5燃料电池结构与工作原理。燃料电池结构与工作原理。6 6燃料电池发电系统结构与工作原燃料电池发电系统结构与工作原理。理。7 7车载氢气系统平安措施。车载氢气系统平安措施。第第3 3章章 燃料电池汽车燃料电池汽车3.13.1燃料电池燃料电池3.2 3.2 燃料电池发动机系统与车载氢气平安燃料电池发动机系统与车载氢气平安3.33.3
2、典型的氢燃料电池汽车典型的氢燃料电池汽车总结总结3.13.1燃料电池燃料电池燃料电池的发电原理燃料电池的发电原理燃料电池的分类燃料电池的分类燃料电池的特点及应用燃料电池的特点及应用燃料电池汽车开展燃料电池汽车开展PEMFCPEMFC的结构与工作原理的结构与工作原理燃料电池的发电原理燃料电池的发电原理燃料电池的分类燃料电池的分类按电解质划分，燃料电池大致上可分为五类，按电解质划分，燃料电池大致上可分为五类，即质子交换膜燃料电池即质子交换膜燃料电池PEMFCPEMFC 、碱性燃料、碱性燃料电池电池AFCAFC、磷酸燃料电池、磷酸燃料电池PAFCPAFC、溶化、溶化的碳酸盐燃料电池的碳酸盐燃料电池(
3、MCFC)(MCFC)、固态氧化物燃料电、固态氧化物燃料电池池SOFCSOFC。燃料电池的特点及应用燃料电池的特点及应用1 1燃料的特点燃料的特点1 1能量密度大，比能量可到达能量密度大，比能量可到达200Wh/kg200Wh/kg左右。左右。2 2一般在常温条件下运行，当温度在一般在常温条件下运行，当温度在8080左右易左右易于快速起动。减少了温度对燃料电池材料的影响，提于快速起动。减少了温度对燃料电池材料的影响，提高了电池性能，延长了电池的寿命。高了电池性能，延长了电池的寿命。3 3可以连续不断地工作，适合局部负荷特性的要可以连续不断地工作，适合局部负荷特性的要求，这些优越的性能为求，这些
4、优越的性能为PEMFCPEMFC在在FCEVFCEV上使用带来了很上使用带来了很大便利。大便利。4 4单体电池的电压高，是电动汽车较理想的一种单体电池的电压高，是电动汽车较理想的一种电源，有利于减轻电动车辆的整备质量和降低电动车电源，有利于减轻电动车辆的整备质量和降低电动车辆使用费用。辆使用费用。燃料电池的特点及应用燃料电池的特点及应用2.2.燃料电池的应用燃料电池的应用燃料电池作为移动式电源的应用领域分为燃料电池作为移动式电源的应用领域分为两大类：一是可用作便携式电源、小型移动两大类：一是可用作便携式电源、小型移动电源、车载电源等，适用于军事、通讯、计电源、车载电源等，适用于军事、通讯、计算
5、机等领域，以满足应急供电和高可靠性、算机等领域，以满足应急供电和高可靠性、高稳定性供电的需要。实际应用是高稳定性供电的需要。实际应用是 电池、笔电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等。二是用作自行电源、卫星通讯车载电源等。二是用作自行车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，车、摩托车、汽车等交通工具的动力电源，以满足环保对车辆排放的要求。从目前开展以满足环保对车辆排放的要求。从目前开展情况看，情况看，PEMFC PEMFC 是技术最成熟的电动车动力是技术最成熟的电动车动力电源。电源。燃料电池汽车开展燃料电池汽车开展1.1.中国
6、燃料电池汽车开展现状中国燃料电池汽车开展现状从从2020世纪世纪5050年代开始，中国一直进行燃料年代开始，中国一直进行燃料电池相关技术的研究，但直到电池相关技术的研究，但直到2020世纪世纪9090年代年代，全球环境署支持在中国进行燃料电池公共，全球环境署支持在中国进行燃料电池公共汽车示范，中国对其产生了浓厚兴趣。从那汽车示范，中国对其产生了浓厚兴趣。从那时起，中国在此方面有了很大进步。时起，中国在此方面有了很大进步。目前在中国有目前在中国有6060多个机构在从事燃料电池多个机构在从事燃料电池的研究。的研究。燃料电池汽车开展燃料电池汽车开展19981998年，清华大学在中国研制出了第一辆年，
7、清华大学在中国研制出了第一辆燃料电池汽车，该汽车是一辆高尔夫车，它燃料电池汽车，该汽车是一辆高尔夫车，它靠一组靠一组5kW5kW的燃料电池提供动力，由北京富的燃料电池提供动力，由北京富源世纪燃料电池能源提供。源世纪燃料电池能源提供。19991999年展示了电年展示了电动轿车。这个团队取得的标志性进展是北京动轿车。这个团队取得的标志性进展是北京富源正在测试的用于公共汽车发动机的富源正在测试的用于公共汽车发动机的140kW140kW燃料电池堆。燃料电池堆。燃料电池汽车开展燃料电池汽车开展2.2.中国燃料电池汽车的研发进展中国燃料电池汽车的研发进展上海神力科技创立于上海神力科技创立于19981998
8、年。在短短的时年。在短短的时间里它示范了用间里它示范了用40kW40kW燃料电池的燃料电池的jitneyjitney、汽车、汽车、摩托车和电动自行车。现在正在研究在面、摩托车和电动自行车。现在正在研究在面包车上装用包车上装用80kW80kW的质子交换膜燃料电池发电的质子交换膜燃料电池发电机。机。上海汽车集团与同济大学合作研制的燃料上海汽车集团与同济大学合作研制的燃料电池发电机，以桑塔那电池发电机，以桑塔那20002000为根底，在为根底，在20032003年年研制出超越研制出超越1 1号燃料电池轿车，后续研制出如号燃料电池轿车，后续研制出如图图3-23-2所示的超越二号。所示的超越二号。燃料电
9、池汽车开展燃料电池汽车开展2.2.中国燃料电池汽车的研发进展中国燃料电池汽车的研发进展通用汽车氢燃料电池车通用汽车氢燃料电池车SequelSequel。通用通用Hy-wireHy-wire氢动三号燃料电池车氢动三号燃料电池车。燃料电池汽车开展燃料电池汽车开展3.3.国外燃料电池汽车的进展国外燃料电池汽车的进展早在早在19941994年，戴姆勒就开发出燃料电池汽年，戴姆勒就开发出燃料电池汽车车“NECARI“NECARI，随后又推出它的姊妹车，随后又推出它的姊妹车“NECAR2“NECAR2。19971997年秋在法兰克福汽车展上年秋在法兰克福汽车展上，戴姆勒展出了，戴姆勒展出了“NECAR3“
10、NECAR3。19991999年，戴姆勒年，戴姆勒-克莱斯勒汽车公司与福特克莱斯勒汽车公司与福特汽车公司联手研制成功的以液氢为动力的汽车公司联手研制成功的以液氢为动力的“NECAR4“NECAR420002000年，戴姆勒年，戴姆勒-克莱斯勒公司宣布，已经克莱斯勒公司宣布，已经开发出以甲醇为燃料电池汽车开发出以甲醇为燃料电池汽车“NECAR5“NECAR5和和“Jeep Commander 2“Jeep Commander 2。燃料电池汽车开展燃料电池汽车开展丰田汽车公司利用自己独特特的燃料电池技术丰田汽车公司利用自己独特特的燃料电池技术，试制出两种类型的燃料电池样车。一种是使用，试制出两种类
11、型的燃料电池样车。一种是使用特殊的合金材料储氢。另一种那么是以甲醇为燃特殊的合金材料储氢。另一种那么是以甲醇为燃料，在车上完成从甲醇转化为氢气燃料的全过程料，在车上完成从甲醇转化为氢气燃料的全过程。丰田的丰田的RAV4RAV4汽车使用了汽车使用了25kW25kW燃料电池堆与镍燃料电池堆与镍-氢电池的混合装置。氢电池的混合装置。群众汽车公司也示范了一种以群众汽车公司也示范了一种以“高尔夫车型高尔夫车型为根底的甲醇作燃料的混合型汽车。为根底的甲醇作燃料的混合型汽车。雷诺和标致、雪铁龙汽车公司还示范了以雷诺和标致、雪铁龙汽车公司还示范了以PEMFCPEMFC堆为动力的汽车，它们分别以车载贮存的堆为动
12、力的汽车，它们分别以车载贮存的液态和气态氢为燃料。液态和气态氢为燃料。结构与工作原理结构与工作原理1.PEMFC1.PEMFC的结构的结构结构与工作原理结构与工作原理2 2单体燃料电池组工作原理单体燃料电池组工作原理PEMFCPEMFC的负极的负极(燃料极燃料极)上产生的化学反响上产生的化学反响方程式方程式PEMFCPEMFC的正极的正极(氧化极氧化极)上产生的化学反响上产生的化学反响方程式方程式PEMFCPEMFC总的化学反响总的化学反响结构与工作原理结构与工作原理3 3燃料电池组燃料电池组(堆堆)结构结构3.2 3.2 燃料电池发动机系统与车载氢气平安燃料电池发动机系统与车载氢气平安燃料电
13、池发电系统燃料电池发电系统车载氢气系统平安措施车载氢气系统平安措施燃料电池燃料电池发发电电系统系统燃料电池燃料电池发发电电系统系统1.1.以氢气为燃料的燃料电池发电系统以氢气为燃料的燃料电池发电系统燃料电池燃料电池发发电电系统系统2 2以甲醇为燃料的燃料电池发电系统以甲醇为燃料的燃料电池发电系统在以甲醇为燃料的燃料电池发电系统中，用在以甲醇为燃料的燃料电池发电系统中，用甲醇供给系统代替了上述的氢气供给系统。甲醇供给系统代替了上述的氢气供给系统。系统包括：系统包括：1)1)甲醇储存装置甲醇储存装置2)2)燃烧器、加热器和蒸发器燃烧器、加热器和蒸发器3)3)改质器改质器4)4)氢气净化器氢气净化器
14、燃料电池燃料电池发发电电系统系统3 3燃料电池汽车电源复合结构燃料电池汽车电源复合结构1)1)燃料电池燃料电池+辅助电池联合驱动辅助电池联合驱动(FC(FCB)B)结构结构燃料电池燃料电池发发电电系统系统2 2燃料电池燃料电池+辅助电池辅助电池+超级电容联合驱超级电容联合驱动动(FC(FCB BC)C)结构结构1 1单、双向两单、双向两DC/DCDC/DC燃料电池混合动燃料电池混合动力系统结构。力系统结构。燃料电池燃料电池发发电电系统系统2 2仅单向仅单向DC/DCDC/DC燃料电池混合动力系燃料电池混合动力系统结构。统结构。燃料电池燃料电池发发电电系统系统4 4FCEVFCEV的多电源电力总
15、成控制策略的多电源电力总成控制策略车载氢气系统平安措施车载氢气系统平安措施3.33.3典型氢燃料电池汽车典型氢燃料电池汽车本田系列氢燃料电池汽车本田系列氢燃料电池汽车奥迪奥迪Q5 HFCQ5 HFC其他车型其他车型本田系列氢燃料电池汽车本田系列氢燃料电池汽车本田燃料电池车首次亮相于本田燃料电池车首次亮相于19991999年，到现年，到现在其燃料电池汽车的开展已经发生了很大的在其燃料电池汽车的开展已经发生了很大的变化。本田新一代的燃料电池汽车变化。本田新一代的燃料电池汽车FCX FCX Clarity(Clarity(图图3-14)3-14)，以本田独创的燃料电池堆，以本田独创的燃料电池堆“V“
16、V Flow FC StackFlow FC Stack技术为核心，实现了燃料电池技术为核心，实现了燃料电池车所特有的车所特有的C02C02零排放。零排放。本田系列氢燃料电池汽车本田系列氢燃料电池汽车1.1.动力系统布置结构动力系统布置结构2 燃料电池发动机系统与车载氢气平安本田新一代的燃料电池汽车FCX Clarity(图3-14)，以本田独创的燃料电池堆“V Flow FC Stack技术为核心，实现了燃料电池车所特有的C02零排放。4燃料电池汽车开展。4燃料电池汽车开展。5%LEL时报警，系统自动切断氢气供给，由驾驶人将车移至指定的平安区域由专人检查整个系统。5m，低底板燃料电池混合动力
17、城市大客车FCHV-BUS2在Aichi世界博览会上使用。2仅单向DC/DC燃料电池混合动力系统结构。实际应用是 电池、笔记本电脑等便携电子设备、军用背负式通讯电源、卫星通讯车载电源等。纯燃料电池(PFC)只有燃料电池一个能量源，这种结构中燃料电池的额定功率大，本钱高，对冷起动时间、耐起动循环次数、负荷变化的响应等提出了很高的要求。中国燃料电池汽车的研发进展第3章 燃料电池汽车4燃料电池汽车开展。其最大输出功率可达100kW，峰值扭矩可达290Nm。5%LEL时报警，系统自动切断氢气供给，由驾驶人将车移至指定的平安区域由专人检查整个系统。3可以连续不断地工作，适合局部负荷特性的要求，这些优越的
18、性能为PEMFC在FCEV上使用带来了很大便利。第3章 燃料电池汽车5%LEL时报警，红色报警，建议驾驶人切断氢气供给，将车开至指定的平安区域由专人检查整个系统。本田系列氢燃料电池汽车本田系列氢燃料电池汽车2.2.燃料电池堆燃料电池堆燃料电池堆燃料电池堆“V Flow FC Stack“V Flow FC Stack本田系列氢燃料电池汽车本田系列氢燃料电池汽车3.3.动力电池组动力电池组本田合作开发的紧凑型锂离子电池的本田合作开发的紧凑型锂离子电池的FCX ClarityFCX Clarity燃燃料电池电动汽车料电池电动汽车(FCEV)(FCEV)中，锂离子电池作为一个补中，锂离子电池作为一个
19、补充电源，取代了在早期充电源，取代了在早期FCXFCX原型车中的超级电容，原型车中的超级电容，其体积适合安放在车辆后部，从而节省了空间。其体积适合安放在车辆后部，从而节省了空间。4.4.驱动电动机驱动电动机FCX ClarityFCX Clarity采用功率达采用功率达100kW100kW的交流永磁同步电动的交流永磁同步电动机，最大输出扭矩为机，最大输出扭矩为189N189Nm m。与上一代相比，整。与上一代相比，整体动力单元的重量功率密度提高体动力单元的重量功率密度提高l l倍，体积功率密度倍，体积功率密度提高提高1 12 2倍，实现了轻质小型化和高功率的高度统倍，实现了轻质小型化和高功率的
20、高度统一。此外，节能性提高一。此外，节能性提高2020，续航里程提高，续航里程提高3030。奥迪奥迪Q5 HFCQ5 HFC奥迪奥迪Q5 HFC(Q5 HFC(图图3-18)3-18)可在可在13.4s13.4s之内加速到之内加速到100km100kmh h，最高速度可达，最高速度可达160km160kmh h。氢气的。氢气的利用非常节约和高效，燃料电池的能量转换利用非常节约和高效，燃料电池的能量转换效率可以到达效率可以到达5050以上。该车型实现了以上。该车型实现了500km500km的最长行驶里程，而且其的最长行驶里程，而且其“加油时间也不加油时间也不比采用传统驱动系统的车型长。比采用传统
21、驱动系统的车型长。奥迪奥迪Q5 HFCQ5 HFC动力布置动力布置其他车型其他车型1.1.奔驰奔驰B B级燃料电池车级燃料电池车奔驰奔驰B B级级F-CellF-Cell动力系统动力系统(图图3-20)3-20)的性能要优的性能要优于于2.0L2.0L发动机，并且拥有良好的燃油经济性，发动机，并且拥有良好的燃油经济性，其燃料消耗相当于每百公里消耗柴油其燃料消耗相当于每百公里消耗柴油3.3L3.3L。其。其最大输出功率可达最大输出功率可达100kW100kW，峰值扭矩可达，峰值扭矩可达290N290Nm m。最高时速可达。最高时速可达170km170kmh h。这款车。这款车可以在可以在-25-
22、25的寒冷条件下实现起动，其最大的寒冷条件下实现起动，其最大行驶里程为行驶里程为400km400km，只需要，只需要3min3min的时间就能完的时间就能完成其氢燃料的补充。成其氢燃料的补充。其他车型其他车型2.“2.“超越系列燃料电池汽车超越系列燃料电池汽车同济大学、上汽等早在同济大学、上汽等早在2l 2l世纪初就开始了燃世纪初就开始了燃料电池车的研发，技术领先程度并不逊于国料电池车的研发，技术领先程度并不逊于国外同行。外同行。20022002年所研制的年所研制的“超越超越1 1号氢燃料号氢燃料电池车露面，随后几年，诞生了电池车露面，随后几年，诞生了“超越超越2 2号号、“超越超越3 3号以
23、及上海牌燃料电池车，其搭号以及上海牌燃料电池车，其搭载的氢燃料动力系统不断提升。载的氢燃料动力系统不断提升。“超越超越3 3号的最高车速到达号的最高车速到达123km123km，0 0100km100kmh h的加速时间为的加速时间为19s19s，一次加氢的续驶，一次加氢的续驶里程为里程为230km230km，燃料经济性为，燃料经济性为1.132kg/100km1.132kg/100km。其他车型其他车型3.3.丰田混合动力燃料电池大客车丰田混合动力燃料电池大客车丰田与日野汽车公司合作开发的长丰田与日野汽车公司合作开发的长10.5m10.5m，低，低底板燃料电池混合动力城市大客车底板燃料电池混
24、合动力城市大客车FCHV-BUS2FCHV-BUS2在在AichiAichi世界博览会上使用。该车将一对丰田的世界博览会上使用。该车将一对丰田的燃料电池堆与丰田的燃料电池堆与丰田的THS-THS-混合驱动和管理系混合驱动和管理系统结合在一起，此系统曾用于统结合在一起，此系统曾用于PriusPrius。总结总结1.1.燃料电池按电化学原理将化学能转化成电能，但燃料电池按电化学原理将化学能转化成电能，但是它的工作方式却与内燃机相似。它在工作即连续是它的工作方式却与内燃机相似。它在工作即连续稳定的输出电能时，必须不断地向电池内部送入燃稳定的输出电能时，必须不断地向电池内部送入燃料与氧化剂如氢气和氧气
25、；与此同时，它还要排料与氧化剂如氢气和氧气；与此同时，它还要排出与生成量相等的反响产物，如氢氧燃料电池中所生出与生成量相等的反响产物，如氢氧燃料电池中所生成的水。成的水。2.PEMFC2.PEMFC的核心是个涂有铂催化剂的弹性塑料膜的核心是个涂有铂催化剂的弹性塑料膜电解质膜，铂催化剂把氢气转化为质子和电子，只电解质膜，铂催化剂把氢气转化为质子和电子，只有质子可以通过电解质膜，与膜另一侧的氧结合生成有质子可以通过电解质膜，与膜另一侧的氧结合生成水，而电子在闭合的外电路中形成电流。水，而电子在闭合的外电路中形成电流。总结总结3.3.按电解质划分，燃料电池大致上可分为五类，即按电解质划分，燃料电池大
26、致上可分为五类，即质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池PEMFCPEMFC 、碱性燃料电池、碱性燃料电池AFCAFC、磷酸燃料电池、磷酸燃料电池PAFCPAFC、溶化的碳酸盐燃、溶化的碳酸盐燃料电池料电池(MCFC)(MCFC)、固态氧化物燃料电池、固态氧化物燃料电池SOFCSOFC。4.4.单体单体PEMFCPEMFC的电压一般在的电压一般在1V1V左右，左右，需要用多个需要用多个单体单体PEMFCPEMFC串联成实用的串联成实用的PEMFCPEMFC电池组电池组(堆堆)，才能，才能获得获得FCEVFCEV驱动电动机所需要的工作电压。驱动电动机所需要的工作电压。总结总结5.5.单独的燃料电池
27、堆是不能发电并用于汽车的，它单独的燃料电池堆是不能发电并用于汽车的，它必需和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水必需和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料电池发电系统。统组成燃料电池发电系统。6.6.纯燃料电池纯燃料电池(PFC)(PFC)只有燃料电池一个能量源，这只有燃料电池一个能量源，这种结构中燃料电池的额定功率大，本钱高，对冷起动种结构中燃料电池的额定功率大，本钱高，对冷起动时间、耐起动循环次数、负荷变化的响应等提出了很时间、耐起动循环次数、负荷变化的响应等提出了很高的要求。为了提
28、高燃料电池汽车的性能，采用了将高的要求。为了提高燃料电池汽车的性能，采用了将燃料电池、辅助电池及超级电容等相互组合的电源复燃料电池、辅助电池及超级电容等相互组合的电源复合结构。合结构。总结总结7.7.燃料电池轿车上有多个装置保证车载氢气系统的燃料电池轿车上有多个装置保证车载氢气系统的平安性。平安性。8.8.一般氢气泄露报警仪设置的报警值为三级。一般氢气泄露报警仪设置的报警值为三级。一级：氢气浓度到达一级：氢气浓度到达1000ppm1000ppm2.5%LEL2.5%LEL时报警时报警，系统自动切断氢气供给，由驾驶人将车移至指定的，系统自动切断氢气供给，由驾驶人将车移至指定的平安区域由专人检查整个系统。平安区域由专人检查整个系统。二级：氢气浓度到达二级：氢气浓度到达5000ppm5000ppm12.5%LEL12.5%LEL时报警时报警，红色报警，建议驾驶人切断氢气供给，将车开至指，红色报警，建议驾驶人切断氢气供给，将车开至指定的平安区域由专人检查整个系统。定的平安区域由专人检查整个系统。三级：氢气浓度达三级：氢气浓度达10000ppm10000ppm25%LEL25%LEL时报警，时报警，黄色报警，建议提醒驾驶人及时停机用氢气检漏工具黄色报警，建议提醒驾驶人及时停机用氢气检漏工具检查供氢系统。检查供氢系统。
