单元一 燃料电池汽车结构

新能源汽车认知与应用,单元一燃料电池汽车结构,建议课时：2学时,教学目标,专业能力1、能够描述燃料电池的应用；2、能够描述燃料电池的类型与工作原理；3、能够描述燃料电池汽车的结构与工作原理；4、能够描述典型的燃料电池汽车的特点。应用能力1、养成做事细心、严谨的作风；2、提高合作意识和创新精神；3、养成良好的安全意识、责任意识、6S管理意识，注重节约、节能和环保。,学习目录,燃料电池的应用,1.氢能源与燃料电池氢在地球上属于最丰富的元素之一，但是它不能以其自然形式存在，例如在大气中，氢是和氧共同作用形成水存在的。在很多自然界的矿物中也能找到氢，例如天然气、煤、石油等。要把氢存储起来用作燃料，必须进行一系列工序把这些物质分离出来。,学习内容,氢存在的形式,燃料电池就是氢动力电池，氢是一种优质燃料，与等量的化石燃料相比，它的比能非常高。1kg氢的能量是1kg汽油能量的3倍。燃料电池是一种把氢氧化学能转化成电能的电化学装置。,学习内容,典型燃料电池外观,燃料电池的应用,2.燃料电池的优点燃料电池产生电能，并且由于氢和氧提供电能给燃料电池，所以燃料电池本身不会产生任何碳排放，排放的只有水和热量。燃料电池的能量也比一般内燃机更高，由内燃机提供动力的车辆效率只有15%20%，而燃料电池汽车的效率能达到40%以上。此外，如果利用燃料电池作为汽车动力来源，其运动部件非常少，稳定性更强。,学习内容,燃料电池的应用,3.燃料电池堆单个燃料电池本身没有多少用途，因为它产生的电动势小于1V。运用在汽车上的燃料电池通常是把数百个燃料电池组合在一起做成一个燃料电池堆。在这种布置中，燃料电池串联在一起，这样的电池堆的总电压是每个单电池电压的总和。,学习内容,汽车用燃料电池堆由数百个单电池串联而成,燃料电池的应用,4.燃料电池应用于汽车存在的问题虽然目前很多汽车制造商开始设计和研发燃料电池汽车，并致力于提高燃料电池系统的设计，但是没有一款由燃料电池提供动力的汽车能够大规模生产。原因包括有成本高、缺少加燃料的基础设施，安全保障、汽车续航里程不足，以及不能够经久耐用和冷起动问题都影响和制约了燃料电池汽车的发展。,学习内容,燃料电池的应用,1.燃料电池类型燃料电池的类型很多，主要的区别在于所用的电解质种类不同。有些电解质常温下运行效果很好，而有些需要在温度高达900的情况下才能正常工作。,学习内容,燃料电池的类型与工作原理,2.质子交换膜燃料电池的工作原理最合适汽车使用的燃料电池是质子交换膜电池，也称为PEM电池。质子交换膜燃料电池发电过程不涉及氢氧燃烧，能量转换率高，发电时不产生污染，发电单元模块化，可靠性高，组装和维修都很方便，工作时也没有噪声。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流。因此，质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，其性能的好坏，直接影响电池的使用寿命。,学习内容,燃料电池的类型与工作原理,在原理上，质子交换膜燃料电池相当于电解水的“逆”装置。其单电池由阳极、阴极和含催化剂涂层的质子交换膜构成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为电解质。工作时，相当于一个直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。,学习内容,PEM电池工作原理示意图,燃料电池的类型与工作原理,氢气直接被输送到负极，氧气直接被输送到正极。氢以分子的形式被输送至负极，在有催化剂的情况下氢气被分解成H+离子（质子）。通过外电路输送氢原子的电子（e-）产生用于进行工作的电。然后，这些相同的电子被送到正极，通过膜返回的H+离子在有催化剂的情况下，在正极与氧发生化学反应产生水和热量。,学习内容,燃料电池的类型与工作原理,3.甲醇燃料电池由于采用氢作为燃料电池燃料时，存储氢需要使用高压气缸的成本和安全性均不是很理想，因此另一种改进的PEM燃料电池方法是用液态甲醇替代氢气。,学习内容,甲醇燃料电池用甲醇取代了氢气作为燃料,燃料电池的类型与工作原理,制造甲醇最常用的方法是用天燃气合成甲醇，它比气态氢的能量密度更高，因为常温下它以液态形式存在，无需使用压缩机或其他高压设备。使用液态取代高压气体给燃料汽车加燃料，这样的过程将更加简单，几乎类似与添加汽油的车辆添加汽油一样。甲醇本身有腐蚀性，这使得甲醇不能存储在现有的燃油箱中，需要建立一个单独处理和存储甲醇的基础设施。,学习内容,直接甲醇燃料电池的加注方式与汽油车相似,燃料电池的类型与工作原理,燃料电池汽车的结构与工作原理,燃料电池汽车是指以氢气或甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电动机驱动的汽车。燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高23倍，燃料电池汽车是一种理想的新能源汽车。,学习内容,燃料电池汽车驱动原理图,燃料电池汽车的主要结构是燃料电池堆及相应的附属装置，右图所示为本田FCX燃料电池汽车的动力传动示意图。,学习内容,燃料电池汽车的结构与工作原理,其各个部件的功能是：（1）增湿器增湿器位于燃料电池系统盒内，在通往电池堆阴极的空气管道里面。PEM燃料电池的水管理系统非常重要，水太多会妨碍氧气与正极接触，水太少会让电解质变干，降低其电导性。增湿器的作用是平衡，通过让正在阴极蒸发的水分循环给燃料电池提供充足的水分。,学习内容,燃料电池汽车的结构与工作原理,（2）燃料电池冷却系统正常工作过程中燃料电池会产生热量。余热会导致聚合物电解质膜损坏，所以必须用液体冷却系统把余热从燃料电池堆中带走。燃料电池产生的热属于低品位热能，在冷却液与周围空气之间的温度差别很小，这种情况下，热转移会很慢，必须用表面积非常大的散热器。,本田FCX用一个大散热器冷却燃料电池，两个小散热器冷却传动机构。,学习内容,燃料电池汽车的结构与工作原理,（3）空气泵在所有行驶条件下，必须以适当压力和流速给燃料电池堆送风使电池堆正常工作。车载空气泵把大气压缩后输送给燃料电池的正极就能达成此功效。（4）二次电池在燃料电池汽车中设计二次电池，可以提高汽车的驾驶性能。因为电存储设备能够立即提供能量给驱动电机，并且克服了燃料电池部分的加速滞后情况。,学习内容,燃料电池汽车的结构与工作原理,1）高压电池大多数燃料汽车设计中用镍氢电池作为二次电池，通常安装在汽车后部，二次电池的构造与燃料电池堆相似，由很多单个电池串并联构成一个高压电池组。,高压电池组,学习内容,燃料电池汽车的结构与工作原理,2）超级电容器电池中存储电能的另一种形式是超级电容器。电容器是一种能阻止直流电、允许交流电通过的电气设备。然而，电容器也能利用正负电荷之间的静电吸引存储电能。超级电容器能够快速、高效地充放电，这个特点使得超级电容器很适合使用在燃料电池汽车上作为辅助二次电池用。,超级电容器模块及单个电池的结构,学习内容,燃料电池汽车的结构与工作原理,（6）驱动桥用于燃料电池汽车的驱动桥非常简单，几乎没有运动件，这使它极其耐用、安静及稳定。,学习内容,驱动桥总成,燃料电池汽车的结构与工作原理,（7）电源控制单元（PCU）燃料电池汽车的传动机构由电源控制单元（PCU）控制，它控制燃料电池的输出功率，并让电在各种不同部件之间流动。充当逆变器就是PCU的作用之一，它把燃料电池堆输出的直流电转变成三相交流电，供汽车的驱动电机使用。,丰田燃料电池车辆电源控制单元控制各个部件之间电流关系,学习内容,燃料电池汽车的结构与工作原理,1.本田燃料电池汽车2002年12月2日，本田同时向日本政府和美国洛杉矶市政府交付了首批FCX，成为世界上第一家实现商品化销售的燃料电池车生产厂家。,典型的燃料电池汽车介绍,学习内容,本田FCX车型,（1）FCX的重要部件1）动力控制单元（PCU）。PCU结构更加的紧凑，置于电动机之上。这样装置，在前部受到撞击时，可以保护一些高压的部件。2）集成的电动机和变速器装配。紧凑的设计，让这套组合进入到小型车内成为可能。,学习内容,本田FCX重要部件侧视图,典型的燃料电池汽车介绍,3）超级电容。位置微斜置于后座位之后，确保足够的行李舱空间。4）后车架结构。双段式后车架，包含一个副车架，有效的在撞击时保护储氢罐。,本田FCX重要部件俯视图,学习内容,典型的燃料电池汽车介绍,5）散热器。由于采用了紧凑的电动机和变速器，因此可以使用一个更大的燃料电池系统散热器，微斜置于车头的两侧还安装了稍小的散热器，供驱动系统散热。6）燃料电池系统外箱。外箱包括燃料电池堆及其他动力生成部件，位于地板之下，以保证足够的车舱空间。7）高压储氢罐。位于后座之下，以确保足够的行李舱空间。8）后悬架。悬架的安装与高压储氢罐和副车架保持一致，易于安装。,学习内容,典型的燃料电池汽车介绍,9）组合仪表本田FCX的仪表与传统汽车相比，主要增加有超级电容容量显示和超级电容充电显示，并同时显示出动力输出显示。,本田FCX仪表,学习内容,典型的燃料电池汽车介绍,（2）本田FCX的运行模式1）起步和加速时输出由燃料电池堆和超级电容提供。超级电容在极短的时间内辅助燃料电池达到最大的性能。,起步和加速时,学习内容,典型的燃料电池汽车介绍,2）轻微加速和巡航时输出只由燃料电池提供。燃料电池负责给电动机提供必须的动力，电容不用辅助。,轻微加速和巡航时,学习内容,典型的燃料电池汽车介绍,3）减速时能量被回收存储在超级电容里。超级电容能回收在制动时产生的能量，有效地提高能源效率。,减速时,学习内容,典型的燃料电池汽车介绍,4）停车时怠速停车。自动怠速停车系统将切断从燃料电池输送过来的输出，以节省燃料消耗。系统在感应到驾驶人操纵的起步信号后，可迅速由燃料电池和超级电容协同提供所需的动力。,停车时,学习内容,典型的燃料电池汽车介绍,2.奔驰B级F-Cell燃料电池车在2005年的日内瓦车展上，当年的戴姆勒克莱斯勒作为燃料电池驱动的先行者，发布了新一代燃料电池汽车：奔驰B级燃料电池车。2009年底，B级燃料电池车型正式投入批