第3章--氢燃料电池汽车

第3章燃料电池汽车LOGOLOGO第3章燃料电池汽车知识点:（1）燃料电池的发电原理。（2）燃料电池的分类。（3）燃料电函的特点及应用。（4）燃料电池汽车发展。（5）燃料电池结构与工作原理。（6）燃料电池发电系统结构与工作原理。（7）车载氢气系统安全措施。LOGO第3章燃料电池汽车3.1燃料电池3.2燃料电池发动机系统与车载氢气安全3.3典型的氢燃料电池汽车总结LOGO3.1燃料电池3.1.1燃料电池的发电原理3.1.2燃料电池的分类3.1.3燃料电池的特点及应用3.1.4燃料电池汽车发展3.1.5PEMFC的结构与工作原理LOGO3.1.1燃料电池的发电原理LOGO3.1.2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，即质子交换膜燃料电池（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、溶化的碳酸盐燃料电池(MCFC)、固态氧化物燃料电池（SOFC）。LOGO3.1.3燃料电池的特点及应用1．燃料的特点（1）能量密度大，比能量可达到200Wh/kg左右。（2）一般在常温条件下运行，当温度在80℃左右易于快速起动。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。（3）可以连续不断地工作，适合部分负荷特性的要求，这些优越的性能为PEMFC在FCEV上使用带来了很大便利。（4）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辆使用费用。LOGO3.1.3燃料电池的特点及应用2.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。实际应用是手机电池、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。二是用作自行车、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。从目前发展情况看，PEMFC是技术最成熟的电动车动力电源。LOGO3.1.4燃料电池汽车发展1.中国燃料电池汽车发展现状从20世纪50年代开始，中国一直进行燃料电池相关技术的研究，但直到20世纪90年代，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。从那时起，中国在此方面有了很大进步。目前在中国有60多个机构在从事燃料电池的研究。LOGO3.1.4燃料电池汽车发展1998年，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，它靠一组5kW的燃料电池提供动力，由北京富源世纪燃料电池能源提供。1999年展示了电动轿车。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140kW燃料电池堆。LOGO3.1.4燃料电池汽车发展2.中国燃料电池汽车的研发进展上海神力科技有限公司创建于1998年。在短短的时间里它示范了用40kW燃料电池的jitney、汽车、摩托车和电动自行车。现在正在研究在面包车上装用80kW的质子交换膜燃料电池发电机。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2000为基础，在2003年研制出超越1号燃料电池轿车，后续研制出如图3-2所示的超越二号。LOGO3.1.4燃料电池汽车发展2.中国燃料电池汽车的研发进展通用汽车氢燃料电池车Sequel。通用Hy-wire氢动三号燃料电池车。LOGO3.1.4燃料电池汽车发展3.国外燃料电池汽车的进展早在1994年，戴姆勒就开发出燃料电池汽车“NECARI”，随后又推出它的姊妹车“NECAR2”。1997年秋在法兰克福汽车展上，戴姆勒展出了“NECAR3”。1999年，戴姆勒-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“NECAR4”2000年，戴姆勒-克莱斯勒公司宣布，已经开发出以甲醇为燃料电池汽车“NECAR5”和“JeepCommander2”。LOGO3.1.4燃料电池汽车发展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。一种是使用特殊的合金材料储氢。另一种则是以甲醇为燃料，在车上完成从甲醇转化为氢气燃料的全过程。丰田的RAV4汽车使用了25kW燃料电池堆与镍-氢电池的混合装置。大众汽车公司也示范了一种以“高尔夫”车型为基础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PEMFC堆为动力的汽车，它们分别以车载贮存的液态和气态氢为燃料。LOGO3.1.5PEMFC结构与工作原理1.PEMFC的结构LOGO3.1.5PEMFC结构与工作原理2．单体燃料电池组工作原理PEMFC的负极(燃料极)上产生的化学反应方程式PEMFC的正极(氧化极)上产生的化学反应方程式PEMFC总的化学反应LOGO3.1.5PEMFC结构与工作原理3．燃料电池组(堆)结构LOGO3.2燃料电池发动机系统与车载氢气安全3.2.1燃料电池发电系统3.2.2车载氢气系统安全措施LOGO3.2.1燃料电池发电系统LOGO3.2.1燃料电池发电系统1.以氢气为燃料的燃料电池发电系统LOGO3.2.1燃料电池发电系统2．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，用甲醇供应系统代替了上述的氢气供应系统。系统包括：1)甲醇储存装置2)燃烧器、加热器和蒸发器3)改质器4)氢气净化器LOGO3.2.1燃料电池发电系统3．燃料电池汽车电源复合结构1)燃料电池+辅助电池联合驱动(FC＋B)结构LOGO3.2.1燃料电池发电系统2）燃料电池+辅助电池+超级电容联合驱动(FC＋B＋C)结构（1）单、双向两DC/DC燃料电池混合动力系统结构。LOGO3.2.1燃料电池发电系统（2）仅单向DC/DC燃料电池混合动力系统结构。LOGO3.2.1燃料电池发电系统4．FCEV的多电源电力总成控制策略LOGO3.2.2车载氢气系统安全措施LOGO3.3典型氢燃料电池汽车3.3.1本田系列氢燃料电池汽车3.3.2奥迪Q5HFC3.3.3其他车型LOGO3.3.1本田系列氢燃料电池汽车本田燃料电池车首次亮相于1999年，到现在其燃料电池汽车的发展已经发生了很大的变化。本田新一代的燃料电池汽车FCXClarity(图3-14)，以本田独创的燃料电池堆“VFlowFCStack”技术为核心，实现了燃料电池车所特有的C02零排放。LOGO3.3.1本田系列氢燃料电池汽车1.动力系统布置结构LOGO3.3.1本田系列氢燃料电池汽车2.燃料电池堆燃料电池堆“VFlowFCStack”LOGO3.3.1本田系列氢燃料电池汽车3.动力电池组本田合作开发的紧凑型锂离子电池的FCXClarity燃料电池电动汽车(FCEV)中，锂离子电池作为一个补充电源，取代了在早期FCX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。4.驱动电动机FCXClarity采用功率达100kW的交流永磁同步电动机，最大输出扭矩为189N·m。与上一代相比，整体动力单元的重量功率密度提高l倍，体积功率密度提高1．2倍，实现了轻质小型化和高功率的高度统一。此外，节能性提高20％，续航里程提高30％。LOGO3.3.2奥迪Q5HFC奥迪Q5HFC(图3-18)可在13.4s之内加速到100km／h，最高速度可达160km／h。氢气的利用非常节约和高效，燃料电池的能量转换效率可以达到50％以上。该车型实现了500km的最长行驶里程，而且其“加油”时间也不比采用传统驱动系统的车型长。LOGO3.3.2奥迪Q5HFC动力布置LOGO3.3.3其他车型1.奔驰B级燃料电池车奔驰B级F-Cell动力系统(图3-20)的性能要优于2.0L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3.3L。其最大输出功率可达100kW，峰值扭矩可达290N·m。最高时速可达170km／h。这款车可以在-25℃的寒冷条件下实现起动，其最大行驶里程为400km，只需要3min的时间就能完成其氢燃料的补充。LOGO3.3.3其他车型2.“超越系列”燃料电池汽车同济大学、上汽等早在2l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外同行。2002年所研制的“超越1号”氢燃料电池车露面，随后几年，诞生了“超越2号”、“超越3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。“超越3号”的最高车速达到123km，0～100km／h的加速时间为19s，一次加氢的续驶里程为230km，燃料经济性为1.132kg/100km。LOGO3.3.3其他车型3.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10.5m，低底板燃料电池混合动力城市大客车FCHV-BUS2在Aichi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THS-Ⅱ混合驱动和管理系统结合在一起，此系统曾用于Prius。LOGO总结1.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）；与此同时，它还要排出与生成量相等的反应产物，如氢氧燃料电池中所生成的水。2.PEMFC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。LOGO总结3.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（PEMFC）、碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、溶化的碳酸盐燃料电池(MCFC)、固态氧化物燃料电池（SOFC）。4.单体PEMFC的电压一般在1V左右，需要用多个单体PEMFC串联成实用的PEMFC电池组(堆)，才能获得FCEV驱动电动机所需要的工作电压。LOGO总结5.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/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。6.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，成本高，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。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合结构。LOGO总结7.燃料电池轿车上有多个装置保证车载氢气系统的安全性。8.一般氢气泄露报警仪设置的报警值为三级。一级：氢气浓度达到1000ppm（2.5%LEL）时报警，系统自动切断氢气供应，由驾驶人将车移至指定的安全区域由专人检查整个系统。二级：氢气浓度达到5000ppm（12.5%LEL）时报警，红色报警，建议驾驶人切断氢气供应，将车开至指定的安全区域由专人检查整个系统。三级：氢气浓度达10000ppm（25%LEL）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检查供氢系统。LOGO回答问题1．目前，燃料电池有哪些种类？2．燃料电池有哪些特点？3．说明以氢气为燃料的燃料电池发电机系统组成特点。4.燃料电池轿车上保证车载氢气系统的安全性的装置有哪些？这些装置各自的作用是什么？5.氢气泄漏报警有哪几个级别？达到级别报警后应如何处理？