燃料电池电动汽车的基本组成和结构

关于燃料电池电动汽车的基本组成和结构一、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。第2页,共60页，2024年2月25日，星期天

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：第3页,共60页，2024年2月25日，星期天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。第4页,共60页，2024年2月25日，星期天燃料电池的优势：（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50～70%。（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50～55％。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）低噪音第5页,共60页，2024年2月25日，星期天第6页,共60页，2024年2月25日，星期天燃料电池的不足：1、压缩氢气存储空间问题。2、存储的安全性及系统效率。3、氢燃料的供给设施第7页,共60页，2024年2月25日，星期天甲醇经过重整,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：第8页,共60页，2024年2月25日，星期天燃料电池大客车2、燃料电池车示例第9页,共60页，2024年2月25日，星期天FuelCellBusofDaimler-Chrysler第10页,共60页，2024年2月25日，星期天第11页,共60页，2024年2月25日，星期天第12页,共60页，2024年2月25日，星期天外形尺寸(mm):11,070

2,490

3,420

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第13页,共60页，2024年2月25日，星期天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第14页,共60页，2024年2月25日，星期天整车造型与色彩设计第15页,共60页，2024年2月25日，星期天整车性能指标性能指标试验结果最高车速（km/h)86.4最大爬坡度（％）180→50km/h加速时间(s)30.90一次加氢(40km/h匀速)续驶里程(km)568.7(按35MPa计算）氢消耗量（kg/100km)4.848等效油耗（汽油L/100km)18.3加速车外噪声（dB(A)）76.3第16页,共60页，2024年2月25日，星期天汽车爬坡试验第17页,共60页，2024年2月25日，星期天第18页,共60页，2024年2月25日，星期天PerformancesMotorpower： 24kW(60kW)FCEpower： 30kWBattery： 50AHMaxspeed： 110km/hGradeability： >20％Acceleration： 15.9sRange： 220kmEfficient：0.98kg/100km第19页,共60页，2024年2月25日，星期天第20页,共60页，2024年2月25日，星期天二、燃料电池车结构1、燃料电池车工作原理第21页,共60页，2024年2月25日，星期天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。第22页,共60页，2024年2月25日，星期天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。第23页,共60页，2024年2月25日，星期天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。第24页,共60页，2024年2月25日，星期天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。第25页,共60页，2024年2月25日，星期天3、布置形式问题：成本、重量、耗氢、动态响应、无法制动回收第26页,共60页，2024年2月25日，星期天问题：电池、控制复杂第27页,共60页，2024年2月25日，星期天问题：可回馈、性能优、容量小第28页,共60页，2024年2月25日，星期天问题：电池、系统复杂第29页,共60页，2024年2月25日，星期天问题：对电池有利、飞轮第30页,共60页，2024年2月25日，星期天4、整体结构与设计第31页,共60页，2024年2月25日，星期天混合动力燃料电池大客车原理第32页,共60页，2024年2月25日，星期天电动车控制器第33页,共60页，2024年2月25日，星期天第34页,共60页，2024年2月25日，星期天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80~100Ah200～250V驱动电机额定100kW最大180kW目标样车第35页,共60页，2024年2月25日，星期天丰田燃料电池车市客车FCHV第36页,共60页，2024年2月25日，星期天戴姆勒-克莱斯勒燃料电池城市客车第37页,共60页，2024年2月25日，星期天燃料电池轿车第38页,共60页，2024年2月25日，星期天三、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：耗氢估计第39页,共60页，2024年2月25日，星期天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第40页,共60页，2024年2月25日，星期天第41页,共60页，2024年2月25日，星期天第42页,共60页，2024年2月25日，星期天照片1–时间:0分,0秒–氢燃料车辆在左边，汽油车辆在右边第43页,共60页，2024年2月25日，星期天照片2–时间:0分,3秒–两种燃料点火，氢流量2100SCFM，汽油流量680CC/min第44页,共60页，2024年2月25日，星期天照片3–时间:1分,0秒，氢流量减退，汽油车火焰扩大第45页,共60页，2024年2月25日，星期天照片4–时间:1分,30秒，第46页,共60页，2024年2月25日，星期天照片5–时间:2分,20秒–内部爆燃第47页,共60页，2024年2月25日，星期天照片6–时间:2分,40秒–驾驶座侧后轮胎爆裂第48页,共60页，2024年2月25日，星期天49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第49页,共60页，2024年2月25日，星期天抗冲击测试（左边是高空坠落，右边是枪击）第50页,共60页，2024年2月25日，星期天高压氢气罐耐高温测试抗冲击测试后进行评估第51页,共60页，2024年2月25日，星期天身体电流

(mA)电流持续时间

(ms)102501005001000100000.1105010050010001000020020500020001202005100Ω/V500Ω/V人体不会产生反应的范围不会产生有害的生理影响的范围IEC60479-1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2mA~10mA为此必须确保在任何情况下电系统的绝缘阻抗值＞100Ω/Ｖ第52页,共60页，2024年2月25日，星期天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）碳纳米材料贮氢第53页,共60页，2024年2月25日，星期天存氢方法高压氢液氢金属储氢活性炭纳米碳管氢气纯度纯氢高纯氢超纯氢超纯氢超纯氢要求99%99.999%99.9999%99.9999%99.9999%表2.3各储氢方法对氢气纯度的要求第54页,共60页，2024年2月25日，星期天5、控制系统

燃料电池城市客车动力系统主要由燃料电池发动机、动力蓄电池、DC/DC变换器、能量控制单元、电机等及其控制系统组成。线传操控系统第55页,共60页，2024