《汽车1》-7项目七 燃料电池电动汽车

项目七燃料电池电动汽车任务7.1 燃料电池电动汽车概述任务7.2 燃料电池电动汽车结构任务7.3燃料电池电动汽车典型车型任务一燃料电池电动汽车概述学习目标1.理解燃料电池汽车的基本概念，熟悉燃料电池的工作原理；2.了解燃料电池的类型；3.了解燃料电池汽车的优缺点。【建议完成本任务的时间为2课时】任务描述图7-1本田CLARITY资讯分析燃料电池汽车是利用燃料电池，将燃料中的化学能直接转化为电能来进行动力驱动的汽车。燃料电池汽车使用的燃料主要包括氢、甲醇、汽油、柴油等，国际上普遍采用的是高能量密度的液态氢。其电池能量不是经过燃料的燃烧产生的，而是通过氢气和氧气的化学作用直接生成电能的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害物质，所以燃料电池汽车是无污染汽车，而且燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2~3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。与传统汽车相比，燃料电池汽车的优势在于：能量转换效率高，零排放或近似零排放，减少了传统发动机机油泄漏带来的水污染，降低了温室气体的排放，提高了燃油经济性，运行平稳、低噪声。主要缺陷在于：燃料电池汽车的制造成本和使用成本较高，储存燃料的装置复杂、笨重，汽车的起动时间较长，如以氢气为燃料的燃料电池汽车起动时间一般需要3min，系统的抗振能力还有待进一步加强。资讯分析活动1.燃料电池电动汽车的特点燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。其核心部件是燃料电池，燃料电池是一种能够持续通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，它与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。一般来说，燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能，电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气。燃料电池汽车的氢燃料能通过几种途径得到。有些车辆直接携带着纯氢燃料，另外一些车辆有可能装有燃料重整器，能将烃类燃料转化为富氢气体。而单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。1.燃料电池电动汽车的特点燃料电池电动汽车（Fuel

CellElectricVehicle，FCEV）采用燃料电池作为动力源。相比于内燃机汽车，燃料电池电动汽车主要有以下优点：（1）直接燃料电池电动汽车直接燃料电池电动汽车的燃料主要是纯氢，也可以用甲醇等燃料。采用纯氢作燃料的燃料电池电动汽车，其氢燃料的储存方式有压缩氢气、液态氢和合金（碳纳米管）吸附氢等几种。（2）重整燃料电池电动汽车重整燃料电池电动汽车的燃料主要有汽油、天然气、甲醇、甲烷、液化石油气等。重整燃料电池电动汽车的结构要比氢燃料电池电动汽车复杂得多。比如，甲醇重整燃料电池电动汽车需要对甲醇进行200℃左右的加热以分解出氢，汽油重整燃料电池电动汽车也需要对汽油进行1000℃左右的加热以分解出氢。无论采用什么燃料，重整燃料电池电动汽车都需设置重整装置，将其他燃料转化为燃料电池所需的氢。图7-2燃料电池与内燃机效率对比直接以纯氢为燃料的燃料电池电动汽车对储氢装置的要求较高。但与重整燃料电池电动汽车相比，直接燃料电池电动汽车的结构简单、质量轻、能量效率高、成本低。因此，目前的燃料电池电动汽车采用重整技术的相对较少，大都以纯氢为车载氢源。（1）燃料电池的能量转换效率极高。因燃料直接通过化学反应产生电能，无热能转换过程，故不受卡诺循环的限制，能量转换效率高，实际能量转换效率高达50%~70%。（2）零排放或近似零排放。当燃料电池使用氢燃料时，其排放的是水，无污染；当使用甲醇、汽油等其他燃料时，排放的CO比汽油车少1/2。（3）结构简单、运行平稳。燃料电池堆可由若干个单个电池串联或并联而成，可根据质量分配均衡和空间有效利用的原则，机动灵活地进行配置。（4）燃料电池无运动部件，振动小、噪声低，零部件对机械加工精度要求不高。虽然氢燃料电池汽车在环保方面有很大的优势，但是它还处于发展的初级阶段。限制其发展的主要因素有以下几点。（1）生产成本高。目前，不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还有碳水化合物经过重整后转换的氢，都是燃料电池的唯一燃料。氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求很高。燃料电池的生产、运输、储存等成本较高。（2）使用配套不足。由于氢燃料的生产、储存、运输等都存在一定的安全隐患，因此加氢站等基础网络设施建设相对落后，这制约着燃料电池汽车的推广。（3）需要配备辅助电池系统。燃料电池可以持续发电，但不能充电和回收再生制动的反馈能量。通常在燃料电池汽车上须增加辅助电池，来储存燃料电池富裕的电能和在燃料电池汽车减速时接受再生制动时的能量。2.国外燃料电池电动汽车的发展情况美国通用汽车公司在1968年生产出了世界上第一辆以燃料电池为动力源的电动汽车。该燃料电池电动汽车由厢式货车改装而成，装载了最大功率为150kW的燃料电池系统，燃料采用低温冷藏的液态氢，汽车的续驶里程达到了200km。由于复杂的燃料电池结构庞大，几乎占去了车内所有的空间，加上当时人们的环境保护意识远不如现在深刻，能源供需矛盾也没有现在这样突出，故未继续进行该燃料电池电动汽车的后续开发工作。20世纪90年代，燃料电池电动汽车技术开始受到人们空前的关注。这是因为燃料电池电动汽车的低排放和高效的燃料利用率，对解决汽车环境污染和缓解能源短缺问题十分有效。世界主要汽车生产大国的政府纷纷制定相关的政策，投入大量的人力、物力研究和开发燃料电池电动汽车，并取得了一系列的成果。现列举几个典型实例来说明国外燃料电池电动汽车的发展概况。1993年，加拿大Ballard公司研制出了以质子交换膜燃料电池为动力的燃料电池公共汽车，其燃料电池的功率为105kW，可载客20人。1994年，当时的克莱斯勒公司推出了NECARI（NewElectricCarI）燃料电池轿车，该车采用Ballard公司生产的质子交换膜燃料电池组，功率达50kw，所用燃料为压缩氢气。1999年，重组后的戴姆勒-克莱斯勒公司研制出了第四代燃料电池车VECAR4，这种5座轿车最高时速可达145km/h。2000年，美国通用汽车公司成功推出了“氢动一号”氢燃料电动汽车，该车采用液态氢为燃料，最高车速可达140km/h，一次加氢续驶里程为400km。“氢动一号”的诞生标志着燃料电池电动汽车已经从研制向批量化生产迈出了重要一步。2001年，日本丰田汽车公司推出了FCHV-3运动型多功能汽车（SUV）。该车采用燃料电池+镍氢蓄电池的混合动力驱动形式，燃料电池由丰田公司自己开发，功率为90kW。2001年6月，丰田汽车公司又推出了FCHV-4型燃料电池电动汽车，动力驱动形式与FCHV-3一样，采用高压氢为燃料，电动机为80永磁同步电动机，一次充氢可续驶250km以上。2002年，美国通用汽车公司又推出了Hy-wire燃料电池电动汽车。该车燃料电池的功率为94kW（连续）和129kW（峰值），工作电压为125~200V，最高车速达160km/h。3.国内燃料电池电动汽车的发展情况从20世纪50年代开始，我国就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，国内才对其产生浓厚兴趣。从那时起，我国在此方面有了很大进步，并开展了富有成效的燃料电池及燃料电池电动汽车的研究。1998年，清华大学与北京世纪富原燃料电池公司合作研制出我国第一辆PEM-PC型8座小型电动车。该车装用5kW燃料电池，时速为20km/h，一次加氢可行驶80km。2008年奥运期间，我国自主研发的20辆氢燃料电池轿车完成了首次规模化示范运行，用我国的燃料电池电动汽车组成的绿色环保车队接送参赛人员。上汽、同济大学等研究开发了三代“超越”系列燃料电池轿车动力系统平台和示范车。北京清能华通科技发展有限公司与清华大学等共同研发出了“清能1号”燃料电池城市客车。东风、长安、奇瑞等汽车公司也竞相开发出了混合动力汽车性能样车。这些均表明我国也同样十分关注燃料电池电动汽车，并且燃料电池电动汽车技术水平也已接近或达到国外先进水平。因为燃料电池电动汽车的价格高，再加上储氢和运氢的安全性、高效性等还存在着问题，所以燃料电池电动汽车的产业化尚需时日。燃料电池电动汽车无须依赖蓄电池技术性能的完善，更具有环保、节能的优势，已成为全世界新能源汽车开发的热点，且世界各国不断地开发出不同结构的燃料电池电动汽车。1.按有无蓄能装置分类根据燃料电池电动汽车是否配备蓄能装置，可把燃料电池电动汽车分为纯燃料电池电动汽车和混合型燃料电池电动汽车两大类。（1）纯燃料电池电动汽车纯燃料电池电动汽车的燃料电池是电动汽车上电能的唯一来源。这种类型的燃料电池电动汽车，要求燃料电池的功率大，并且无法回收汽车制动能量。因此，纯燃料电池电动汽车目前应用较少。（2）混合型燃料电池电动汽车混合型燃料电池电动汽车上除燃料电池外，还同时配备了蓄能装置（如蓄电池、超级电容或飞轮电池等），如图5.2所示。由于蓄能装置可协助供电，因而可减小燃料电池的功率，且蓄能装置还可用于汽车制动时的能量回收，所以可提高燃料电池电动汽车的能量利用率。因此，燃料电池电动汽车多采用混合型结构。活动2.燃料电池电动汽车的类型2.按燃料电池与蓄电池的结构关系分类根据混合型燃料电池电动汽车中燃料电池和蓄电池的电路结构，可将混合型燃料电池电动汽车分为串联式和并联式两种，如图所示。（1）串联式燃料电池电动汽车串联式燃料电池电动汽车动力系统如图7-3（a）所示。其燃料电池相当于车载发电装置，通过DC/DC转换器进行电压变换后对蓄电池充电，再由蓄电池向电动机提供驱动车辆的全部电力。串联式燃料电池电动汽车的特点与普通的串联混合动力电动车相似。其优点是可采用小功率的燃料电池，但要求蓄电池的容量和功率要足够大，且燃料电池发出的电能需要经过蓄电池的电化学转换过程，从中有能量的转换损失。目前，串联式燃料电池电动汽车较为少见。（2）并联式燃料电池电动汽车并联式燃料电池电动汽车动力系统如图7-3（b）所示。它由燃料电池和蓄电池共同向电动机提供动力。根据燃料电池与蓄电池能量大小的配置不同，又可将其分为大燃料电池型和小燃料电池型两种电动汽车。大燃料电池电动汽车主要由燃料电池提供电力，蓄电池的容量较小，只是在电动汽车起步、加速、爬坡等行驶工况时协助供电，并在车辆减速与制动时进行能量回收。小燃料电池电动汽车则必须采用大容量的蓄电池，由蓄电池提供主要的电力，而燃料电池只是协助供电。并联式是目前燃料电池电动汽车采用较多的形式。3.按提供的燃料不同分类根据燃料电池所提供的燃料不同，燃料电池电动汽车又可分为直接燃料电池电动汽车和重整燃料电池电动汽车两大类。计划决策查询本田CLARITY和丰田Mirai车身尺寸，完成下表填写1.燃料电池汽车是指以________、________等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。其核心部件是________，燃料电池一种能够持续通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。燃料电池与常规电池的区别在于________________________________。2.燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似________________________________。燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。与传统汽车相比，燃料电池汽车具备________、________、________、________等优点。任务二燃料电池电动汽车结构学习目标1.了解燃料电池汽车的结构类型；2.理解燃料电池汽车的工作原理及总体结构；3.理解燃料电池系统的功能组成；4.了解燃料电池汽车的关键技术。【建议完成本任务的时间为2课时】任务描述图7-4燃料电池电动汽车结构布局计划决策本田CLARITY和丰田Mirai电池汽车参数对比1.燃料电池汽车的动力电控系统主要由燃料电池发动机管理系统、蓄电池管理系统、动力控制系统及整车控制系统组成。其中，燃料电池发动机管理系统的主要功能是_______________________；蓄电池管理系统的作用是________________________；整车控制系统的作用是_____________________________。2.燃料电池的关键技术有哪些？查阅相关资料，介绍一项关键技术的发展。任务三燃料电池电动汽车典型车型学习目标1.了解本田CLARITY结构。【建议完成本任务的时间为2课时】任务描述图7-8本田CLARITY资讯分析本田早在1999年的东京车展展示了名为FCX的燃料电池车，并于1999年-2001年期间推出多次的试验车进行测试，为量产作出准备。2002年FCX就以3门车型在羊国加州和日本进行租国内品牌再落后谈本田CLARITY燃料电池车售式发售。这一干也定巴养工第一部官方认证的燃料电池车。2005年更有私人购买了FCX。到了2008年，本田为FCX升级为下一代车型，并命名为FCXClarity，最大续航里程为372公里。同时也将市场拓展至欧洲地区。好景不长，由于全球加氢站过少，第二代FCXClarity更多只是服务于政府机关，产量并不高，并与2014年停产。然而，在停产第二代FCXClarity的不久，日本政府却放宽氢燃料电池车的规范，同时有相关推动下一代新能源车政策。从混合动力逐步向氢燃料电池发展，由政府主导建设加氢站。可是这次本田稍微失去算盘，第二代FCX结束生产，第三代却未能跟上，被丰田以500km续航的MIRAI所超越。对此本田当然不甘示弱，加快进程FCV车型，并且CLARITYFUELCELL今年3月10日开始租售。资讯分析活动1.本田CLARITYFUELCELL燃料电池电动汽车CLARITYFUELCELL从功能布置上并没有与其他三厢车有明显区别。长车头里面布置燃料电池反应堆代替了发动机的位置。驱动系统则采用130kW的电机作为主要驱动，相当于2.4L自然吸气发动机的水平。CLARITYFUELCELL与别的主机厂不同的是，其采用专门的电动车和混合动力平台，车架从车头一直连至车尾的一体式结构，留有空间布置动力传动系统和唱德甄导唑毕连于长宽高为4915/1875/1480mm，轴距为2750mm。在机舱位置布置了燃料电池组反应堆，整个电池堆体积减少了33%，输出功率从原来的1.9kWL提升至3.1kW/L，总功率达到103KW。电机方面功率达到130kW，最大转矩300N·m，动力数据上比丰田MiramuurCust燃料电池车都要高。CLARITYFUELCELL的燃料电池组布置在传统的发动机，锂电池也仅是布置车辆底盘下方。两个储氢罐分别布置在后排座椅下方以及后方，最大储氢量为141L，约为5.0kg，在JC08模式下可行驶750km。活动1.本田CLARITYFUELCELL燃料电池电动汽车CLARITYFUELCELL从功能布置上并没有与其他三厢车有明显区别。长车头里面布置燃料电池反应堆代替了发动机的位置。驱动系统则采用130kW的电机作为主要驱动，相当于2.4L自然吸气发动机的水平。CLARITYFUELCELL与别的主机厂不同的是，其采用专门的电动车和混合动力平台，车架从车头一直连至车尾的一体式结构，留有空间布置动力传动系统和唱德甄导唑毕连于长宽高为4915/1875/1480mm，轴距为2750mm。在机舱位置布置了燃料电池组反应堆，整个电池堆体积减少了33%，输出功率从原来的1.9kWL提升至3.1kW/L，总功率达到103KW。电机方面功率达到130kW，最大转矩300N·m，动力数据上比丰田MiramuurCust燃料电池车都要高。CLARITYFUELCELL的燃料电池组布置在传统的发动机，锂电池也仅是布置车辆底盘下方。两个储氢罐分别布置在后排座椅下方以及后方，最大储氢量为141L，约为5.0kg，在JC08模式下可行驶750km。燃料电池组和电机为一体式布置。燃料电池组主要分为反应部分、供氢部分以及供空气部分。整体结构尺寸如同2.0L的发动机，如图7-10。燃料电池单元主要由膜电极组件和气体流路构成。膜电极组件由电解质层、催化剂层、气体扩散层，以及氢气和空气的流路组成。其中气体扩散层中碳纸采用东丽公司提供的碳纤维材料，其具有非连续的碳纤维按随机方向排列，耐久性及气体扩散性出色。同时燃料电池单元里改进了氢气和空气的流动方向。燃料电池单元为了提高效率防止被谁堵塞，改进了氢和空气的流动方向，使生成的水在电池单元内循环。提高反应效率，是输出功率密度提高了50%，使体积减少20%。一大一小的储氢罐布置后排座椅的下方和后部。最多可储存141L，约5.0kg的氢燃料。整体的储存压力为70MPa。其材质采用东丽的高强度碳纤维作为内衬。储氢罐固定在后悬架之上，有独立的架子固定保护同时纵向有纵梁的保