第四章-燃料电池电动汽车的基本组成和结构

第四章燃料电池车的基本组成和结构,现代电动汽车技术,主要内容,概述燃料电池车的结构燃料电池车的关键问题,一、概述,1、燃料电池介绍,燃料电池（FuelCell）是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断的转化成电能的化学装置。,车用两种：质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池,2002年1月9日，美国能源部宣布新的汽车研究项目，FreedomCAR项目，长期目标是实现高效、价廉、无污染：研究先进、高效的燃料电池技术，用氢燃料作动力，不产生任何污染。该项目继续对电动汽车进行专项研究，但是重点是发展氢燃料电池电动汽车。,阳极：,阴极：,电池总反应：,质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极（阳极、阴极）、质子交换膜和集流板组成。,其具体反应步骤为：经增湿后的H2和O2分别进入阳极室和阴极室，经电极扩散层扩散到达催化层和质子交换膜的界面，分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应：,质子交换膜燃料电池的反应原理,阳极反应生成的质子（H+）通过质子交换膜传导到达阴极，阳极反应产生的电子通过外电路到达阴极。生成的水以水蒸汽或冷凝水的形式由过剩的阴极反应气体从阴极室排出。,燃料电池的优势：,（1）效率高，燃料电池的化学反应不受卡诺循环的限制，理论上能量效率可接近80，实际效率已达5070%。（2）清洁无污染。（3）效率随输出功率变化的特性好，燃料电池的效率在额定功率附近可达60，部分功率下运行时效率会高于额定功率下的效率，可达约70%，过载功率下运行时效率略低于额定功率的效率，可达5055。燃料电池的效率随输出功率变化的特性比内燃机更适合于汽车的实际运行。（4）过载能力强，燃料电池的短时过载能力可达200的额定功率，更适合于汽车的加速、爬坡等工况。（5）设计方便性（6）低噪音,燃料电池的不足：,1、压缩氢气存储空间问题。,2、存储的安全性及系统效率。,3、氢燃料的供给设施,甲醇经过重整,重整产物为氢气、碳氧化物。甲醇在重整器中发生的反应如下：,燃料电池大客车,2、燃料电池车示例,FuelCellBusofDaimler-Chrysler,外形尺寸(mm):11,0702,4903,420满载总质量(kg)：15,000载客数（人）：50最高车速(km/h)：70最大爬坡度：15%加速性能(050km/h)：30s续驶里程(km)：200(40km/h匀速，储氢瓶压力15MPa),燃料电池城市客车设计参数,ChineseNationalFCBDemonstration,超过8000km的道路行驶试验,2004年5月27日在天安门广场展示,整车造型与色彩设计,整车性能指标,汽车爬坡试验,PerformancesMotorpower：24kW(60kW)FCEpower：30kWBattery：50AHMaxspeed：110km/hGradeability：20Acceleration：15.9sRange：220kmEfficient：0.98kg/100km,二、燃料电池车结构,1、燃料电池车工作原理,1、燃料电池车工作原理,急剧加速状态下，对应于峰值功率指令，燃料电池系统与峰值电源两者都向电动机驱动装置供给牵引功率；在制动状态下，电动机运行于发电机状态，将部分制动能量变换为电能，并储存在峰值电源中；当负载功率小于燃料电池系统的额度功率时，峰值电源也能从燃料电池系统补充、恢复其能量。,2、燃料电池控制策略,功能：1）电动机的输出功率始终满足功率要求；2）峰值电源的能级始终维持在最佳范围；3）燃料电池系统运行在其最佳运行区。,2、燃料电池控制策略,1）停顿模式燃料电池系统和峰值电源都不向驱动系供给功率，燃料电池系统可运行在空载状态。2）制动模式燃料电池系统运行在空载状态，而峰值电源依据制动系统运行特性吸收再生制动能量。,2、燃料电池控制策略,3）牵引模式若电动机输入功率大于燃料电池系统的额定功率，则应用混合牵引模式。燃料电池系统运行在其额定功率状态，而剩余的功率的功率需求由峰值电源供应。B.若电动机输入功率小于燃料电池系统预设的最小功率，且峰值电源需要充电，则燃料电池系统以额定功率运行，一部分功率用于驱动系，另一部分功率用于峰值电源。弱峰值电源不需要充电，则燃料电池系统运行于空载状态，由峰值电源单独驱动车辆。C.若负载功率大于燃料电池锁预设的最小功率，并小于燃料电池的额度功率，同时峰值电源不需要充电，则由燃料电池单独驱动车辆。若峰值电源需要充电，则燃料电池系统以额度功率运行，其一部分功率用于驱动车辆，另一部分功率用于向峰值电源充电。,3、布置形式,问题：成本、重量、耗氢、动态响应、无法制动回收,问题：电池、控制复杂,问题：可回馈、性能优、容量小,问题：电池、系统复杂,问题：对电池有利、飞轮,4、整体结构与设计,混合动力燃料电池大客车原理,电动车控制器,系统构型,上海神力燃料电池130kW,双向DCDC放电：50kW充电：20kW,镍氢或锂离子电池80100Ah200250V,驱动电机额定100kW最大180kW,目标样车,丰田燃料电池车市客车FCHV,戴姆勒-克莱斯勒燃料电池城市客车,燃料电池轿车,三、燃料电池车的关键问题,1、经济性,节省耗氢，匹配优化,2、安全性,技术难点：耗氢估计,氢安全,电安全,结构安全,高电压大电流人体触电防护电磁波对周边影响,氢泄漏滞留氢易燃易爆性氢脆性,高压储氢系统的碰撞保护高压电系统的碰撞保护轻量化带来的结构强度问题,照片1时间:0分,0秒氢燃料车辆在左边，汽油车辆在右边,照片2时间:0分,3秒两种燃料点火，氢流量2100SCFM，汽油流量680CC/min,照片3时间:1分,0秒，氢流量减退，汽油车火焰扩大,照片4时间:1分,30秒，,照片5时间:2分,20秒内部爆燃,照片6时间:2分,40秒驾驶座侧后轮胎爆裂,50,照片7时间:2分,40秒驾驶座侧后轮胎爆裂的残片飞到乘客侧,抗冲击测试（左边是高空坠落，右边是枪击）,高压氢气罐耐高温测试,抗冲击测试后进行评估,直流电流对人体的影响,对人体造成有害的生理影响的容许电流值为2mA10mA为此必须确保在任何情况下电系统的绝缘阻抗值100/,3、可靠性,4、供氢,（1）车载制氢,（2）车载纯氢,1）高压氢气储存,2）液态氢储存,3）金属氢化物储氢,4）活性炭吸附贮氢,5）碳纳米材料贮氢,表2.3各储氢方法对氢气纯度的要求,5