第四章-燃料电池电动汽车

12DW3主编第四章燃料电池电动汽车第四章燃料电池电动汽车(1)工作效率高内燃机汽车的效率为11％左右，而以氢气为燃料的燃料电池汽车效率可达到50%~70％左右，甲醇重整产生氢气的燃料电池汽车效率可达到30％左右。(2)节能、环保燃料电池汽车使用的能源主要是氢气，排放的主要物质是水，对于环境污染问题日益突出的地球来说，燃料电池汽车是内燃机汽车的理想替代。(3)结构简单和运行平稳由于燃料电池汽车能量转换不涉及燃烧和热机做功，因此所需零件少，结构简单，振动和噪声小。第四章燃料电池电动汽车(1)造价高目前在燃料电池汽车上广泛使用的质子(交换)膜燃料电池需要贵金属Pt作为电催化剂，但是Pt的价格昂贵、资源匮乏，使得质子交换膜燃料电池的成本居高不下，限制了其大规模运用。(2)氢气的储存、制备和运输地球上的氢气资源丰富，但是如何获取且安全地安装到汽车上是燃料电池汽车所面临的一个难题。(3)加氢站等基础设施建设目前制约燃料电池汽车商业化的难题之一就是加氢站和基础设施的建设。第一节燃料电池系统的组成和工作原理第二节燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理第四章燃料电池电动汽车第三节典型的燃料电池汽车结构第四章燃料电池电动汽车图4-1燃料电池电动汽车内部结构示意图(1)工作效率高内燃机汽车的效率为11％左右，而以氢气为燃料的燃料电池汽车效率可达到50%~70％左右，甲醇重整产生氢气的燃料电池汽车效率可达到30％左右。(2)节能、环保燃料电池汽车使用的能源主要是氢气，排放的主要物质是水，对于环境污染问题日益突出的地球来说，燃料电池汽车是内燃机汽车的理想替代。(3)结构简单和运行平稳由于燃料电池汽车能量转换不涉及燃烧和热机做功，因此所需零件少，结构简单，振动和噪声小。(1)造价高目前在燃料电池汽车上广泛使用的质子(交换)膜燃料电池需要贵金属Pt作为电催化剂，但是Pt的价格昂贵、资源匮乏，使得质子交换膜燃料电池的成本居高不下，限制了其大规模运用。(2)氢气的储存、制备和运输地球上的氢气资源丰富，但是如何获取且安全地安装到汽车上是燃料电池汽车所面临的一个难题。(3)加氢站等基础设施建设目前制约燃料电池汽车商业化的难题之一就是加氢站和基础设施的建设。第一节燃料电池系统的组成和工作原理一、燃料电池的定义和工作原理二、燃料电池发电系统的组成和工作原理三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理一、燃料电池的定义和工作原理1)氢气通过管道或导气板到达阳极。2)在阳极催化剂的作用下，一个氢分子分解为两个氢原子，并释放出两个电子，阳极反应为3)在电池的另一端，氧气(或者空气)通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。4)在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反应为一、燃料电池的定义和工作原理图4-2燃料电池原理示意图1)氢气通过管道或导气板到达阳极。2)在阳极催化剂的作用下，一个氢分子分解为两个氢原子，并释放出两个电子，阳极反应为3)在电池的另一端，氧气(或者空气)通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。4)在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反应为图4-3质子交换膜燃料电池原理图4)在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反应为表4-1燃料电池的种类及其基本电化学方程式二、燃料电池发电系统的组成和工作原理1.增压式燃料电池发电系统2.常压式燃料电池发电系统二、燃料电池发电系统的组成和工作原理图4-4典型的燃料电池发电系统示意图1.增压式燃料电池发电系统图4-5增压式燃料电池发电系统的组成1.增压式燃料电池发电系统图4-64种常见空气压缩机a)罗茨式压缩机b)罗宋式压缩机c)离心式/放射式压缩机d)轴流式压缩机2.常压式燃料电池发电系统图4-7常压式燃料电池发电系统结构图2.常压式燃料电池发电系统图4-8典型燃料电池发电系统水/热管理系统结构------—回收利用的气体三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理1)能保证在常温下工作，并且电化学基本性能不变。2)为满足汽车功率需求，能提供较高的电流密度。3)具有良好的免维护性能。4)耐振性和耐冲击性能好。5)能够从低负荷到高负荷进行高效率运转。6)可以放置在冰点以下环境中。1.直接供氢型2.间接供氢型三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理图4-9汽车用燃料电池发电系统的基本原理三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理图4-10燃料电池发动机系统组成三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理图4-11燃料电池发动机系统的组成1)能保证在常温下工作，并且电化学基本性能不变。2)为满足汽车功率需求，能提供较高的电流密度。3)具有良好的免维护性能。4)耐振性和耐冲击性能好。5)能够从低负荷到高负荷进行高效率运转。6)可以放置在冰点以下环境中。图4-12内增湿型及外增湿型燃料电池发动机系统a)内增湿型b)外增湿型1.直接供氢型(1)高压氢气储存(图4-13)用压缩机把氢气压缩灌入车上携带的压力容器，是目前最简单和最常用的车载储氢储存方法。(2)液态氢储存戴姆勒-克莱斯勒公司研制开发的NECAR3型和NECAR4型以及通用汽车公司研制开发的“氢动一号”燃料电池电动汽车均采用液态氢为燃料。(3)金属氢化物储氢该方法首先使氢与金属形成金属氢化物，加热后，金属氢化物分解脱氢而得氢气。(4)活性炭吸附储氢活性炭低温吸附具有相当好的储氢能力，在-196℃、4.2MPa时，活性炭的储氢量约为总质量的5%。1.直接供氢型(5)碳纳米材料储氢纳米碳管被认为是一种非常有潜力的高容量的储氢材料，然而目前所报道的关于其高储氢容量争议很大。(1)高压氢气储存(图4-13)用压缩机把氢气压缩灌入车上携带的压力容器，是目前最简单和最常用的车载储氢储存方法。1)容量小。2)安全性差。3)实施问题。(1)高压氢气储存(图4-13)用压缩机把氢气压缩灌入车上携带的压力容器，是目前最简单和最常用的车载储氢储存方法。图4-13高压储氢型燃料电池汽车1)容量小。2)安全性差。图4-14液态氢储罐的结构示意图3)实施问题。(2)液态氢储存戴姆勒-克莱斯勒公司研制开发的NECAR3型和NECAR4型以及通用汽车公司研制开发的“氢动一号”燃料电池电动汽车均采用液态氢为燃料。(3)金属氢化物储氢该方法首先使氢与金属形成金属氢化物，加热后，金属氢化物分解脱氢而得氢气。1)单位质量的储氢量并不高，储氢材料加上容器后，单位质量的储氢量低于高性能材料的压力容器，储氢质量为总质量的1.5%以下。2)单位体积的储氢容量有所提高，为0.05kg/L。3)储氢压力为1~7MPa，远低于压力容器，提高了安全性，加氢站要求及加氢能耗皆降低。4)金属氢化物对氢气中的少量杂质如O2、H2O、CO等有较高的敏感度，高于燃料电池电极催化剂的敏感度，因而提高了对原料氢的质量要求。5)存在金属氢化物的机械强度、反复充放后的粉碎等问题。(3)金属氢化物储氢该方法首先使氢与金属形成金属氢化物，加热后，金属氢化物分解脱氢而得氢气。6)储氧化物的容器要能够耐高压，还要有足够的换热面积，能够迅速地传递吸氢和放氢反应过程中释放或者需要的热量。1)单位质量的储氢量并不高，储氢材料加上容器后，单位质量的储氢量低于高性能材料的压力容器，储氢质量为总质量的1.5%以下。2)单位体积的储氢容量有所提高，为0.05kg/L。3)储氢压力为1~7MPa，远低于压力容器，提高了安全性，加氢站要求及加氢能耗皆降低。4)金属氢化物对氢气中的少量杂质如O2、H2O、CO等有较高的敏感度，高于燃料电池电极催化剂的敏感度，因而提高了对原料氢的质量要求。5)存在金属氢化物的机械强度、反复充放后的粉碎等问题。6)储氧化物的容器要能够耐高压，还要有足够的换热面积，能够迅速地传递吸氢和放氢反应过程中释放或者需要的热量。(4)活性炭吸附储氢活性炭低温吸附具有相当好的储氢能力，在-196℃、4.2MPa时，活性炭的储氢量约为总质量的5%。(5)碳纳米材料储氢纳米碳管被认为是一种非常有潜力的高容量的储氢材料，然而目前所报道的关于其高储氢容量争议很大。2.间接供氢型图4-15汽油重整氢发生器工艺流程示意图2.间接供氢型图4-16车载甲醇重整制氢系统原理图2.间接供氢型图4-17车载汽油重整制氢系统原理图第二节燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理一、燃料电池单独驱动汽车动力系统二、燃料电池混合动力汽车动力系统第二节燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理图4-18车载燃料电池底盘实物图一、燃料电池单独驱动汽车动力系统1)系统结构简单，便于实现系统控制和整体布置。2)系统部件少，有利于整车的轻量化。3)较少的部件使得整体的能量传递效率高，从而提高整车的燃料经济性。1)为了减少整车成本，燃料电池必须有较低的价格。2)为了提高整车的经济性，燃料电池应在较大的输出范围内有较高的效率。3)燃料电池应具有较快的动态响应。4)燃料电池应具有较好的冷起动性能。1)燃料电池的功率大，成本高。2)对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高要求。一、燃料电池单独驱动汽车动力系统3)不能进行制动能量回收。一、燃料电池单独驱动汽车动力系统图4-19燃料电池单独驱动车型驱动系统结构图一、燃料电池单独驱动汽车动力系统图4-20燃料电池单独驱动车型燃料驱动系统结构简图1)系统结构简单，便于实现系统控制和整体布置。2)系统部件少，有利于整车的轻量化。3)较少的部件使得整体的能量传递效率高，从而提高整车的燃料经济性。图4-21燃料电池单独驱动汽车动力系统结构1)为了减少整车成本，燃料电池必须有较低的价格。2)为了提高整车的经济性，燃料电池应在较大的输出范围内有较高的效率。3)燃料电池应具有较快的动态响应。4)燃料电池应具有较好的冷起动性能。1)燃料电池的功率大，成本高。2)对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高要求。3)不能进行制动能量回收。二、燃料电池混合动力汽车动力系统1.DC/DC转换器2.辅助动力源二、燃料电池混合动力汽车动力系统图4-22混合驱动燃料电池汽车二、燃料电池混合动力汽车动力系统图4-23混合驱动型燃料电池汽车的动力系统结构原理图1.DC/DC转换器2.辅助动力源1)由于增加了比功率价格相对低廉得多的动力电池组，系统对燃料电池的功率要求较单一燃料电池结构形式有很大的降低，从而大大地降低了整车成本。2)燃料电池可以在比较好的设定的工作条件下工作，工作时燃料电池的效率较高。3)系统对燃料电池的动态响应性能要求较低。4)汽车的冷起动性能较好。5)制动能量的回馈可以回收汽车制动时的部分动能，该措施可增加整车的能量效率。1)动力电池的使用使得整车的质量增加，动力性和经济性受到影响，对能量复合型混合动力汽车上的影响更为明显。2.辅助动力源2)动力电池充放电过程会有能量损耗。3)系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。1)增加了超级电容，整个系统的质量将可能增加。2)系统更加复杂化，系统控制和整体布置的难度也随之增大。1)当前燃料电池的动态性能欠佳，而汽车的工作状态总是在较大的范围内动态变化，燃料电池不能随时满足汽车的功率需求，增加辅助电池可以起到快速调节功率的作用。2)燃料电池最佳负荷率在额定功率20%~40%的范围内，为了实现整车能量效率最佳，增加辅助电池调节燃料电池的功率输出，可使其工作点尽量保持在效率最佳的范围内。2.辅助动力源3)目前燃料电池的成本还很高，从降低整车价格的方面来考虑，适当减小燃料电池的额定功率，用辅助电池来弥补不足的功率输出，可以在一定程度上降低整车成本。2.辅助动力源图4-24混合驱动型燃料电池汽车的动力系统结构图2.辅助动力源图4-25FC+B型燃料电池汽车主要组成2.辅助动力源图4-26FC+B型燃料电池汽车混合动力系统结构图1)由于增加了比功率价格相对低廉得多的动力电池组，系统对燃料电池的功率要求较单一燃料电池结构形式有很大的降低，从而大大地降低了整车成本。2)燃料电池可以在比较好的设定的工作