《燃料电池汽车》-教材职业能力四、学会燃料电池汽车构造与原理

目录CONTENTS1234燃料电池汽车整体构造认知燃料电池堆结构认知储氢系统结构认知氢燃料电池汽车动力系统配置方案学习目标1了解氢燃料电池汽车特点及工作原理认识燃料电池汽车常见的动力配置方案及特点24识别燃料电池汽车关键系统和部件了解氢燃料电池堆及高压储氢罐的特点和结构301PARTONE燃料电池汽车整体构造认知01燃料电池汽车整体构造认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、燃料电池电动汽车工作原理我国新能源汽车“三横三纵”技术体系“三横”01“三纵”02动力电池管理系统驱动电机与电力电子网联化与智能化技术纯电动汽车BEV插电式混合动力汽车HEV燃料电池汽车FCEV/FCV中国新能源汽车发展的“三驾马车”01燃料电池汽车整体构造认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理汽车类型优点缺点汽车类型纯电动汽车零排放，无污染，高效能充电时间长、续航里程较短，电池成本高，废弃电池存在污染纯电动汽车混合动力汽车内燃机的存在确保了续驶里程，提高了燃料的经济性由于内燃机的存在依然会有碳排放，污染环境混合动力汽车燃料电池汽车零排放，无污染，续驶里程可与内燃机媲美，加注氢气时间短燃料电池昂贵导致整车成本高，加氢站等基础设施不完善，制氢成本较高，还会产生污染燃料电池汽车不同类型新能源车的优缺点对比01职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理燃料电池汽车是利用燃料电池产生出电能来带动电动机工作，由电动机带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥（或后桥）等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进燃料电池汽车整体构造认知01燃料电池汽车整体构造认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、氢燃料电池电动汽车的关键部件燃料电池系统主要包括以下部分一个或多个电池堆、输送燃料、氧化剂和废气的管路，电池堆输电的电路连接、检测或控制手段。此外，燃料电磁系统还包括：输送额外流体（如冷却介质、惰性气体）的装置，检测正常或异常运行条件的装置，外壳或压力容器和模块的通风系统，以及模块操作和功率调节所需的电子元件。01燃料电池汽车整体构造认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、氢燃料电池电动汽车的关键部件氢燃料电池汽车中主要的关键部件：1、低压辅助电池2、动力电池组3、DC/DC转换器4、电动牵引电机5、燃料电池电堆6、燃料加注口7、燃料罐（氢气罐）8、电机驱动控制器9、热管理系统（冷却）10、主减速器燃料电池汽车燃料加注口02PARTTWO燃料电池堆结构认知02燃料电池堆结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、氢燃料电池系统的组成一般氢燃料电池系统主要包含氢气子系统、热管理子系统、空气子系统和电堆组成。氢气子系统用于储存与供给氢能源，经过高压管道的氢气，在电子控制单元（ECU）的控制下通过喷射阀被喷射到电堆中。电堆中与氢气反应的是氧气，氧气主要通过大气提供，但因大气气压太低，为了给电堆提供足量的氧气，需给供氧系统增压。氢燃料电池是由数百片这种相互独立的单个“电池”串联起来组成堆栈，以大众集团的氢燃料电池为例，每一片电池产生0.6～0.8V电压，整个电池堆栈一共输出约230～360V的电压。02燃料电池堆结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、典型氢燃料电池汽车电堆总成结构Clarity燃料电池汽车进一步优化精简了燃料电池组，使驱动电机以更高的电流实现更大的功率，使用FCVCU（电控组件）来减少燃料电池堆产生的电流，并将电压提高到至500V。1.本田ClarityFCV电堆的结构02燃料电池堆结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、典型氢燃料电池汽车电堆总成结构GLCf-cell也是使用的PEM燃料电池，PEM燃料电池的结构类似于三明治。中间是一层薄塑料薄膜，即质子交换膜（PEM）。这种膜的两面都涂有一层薄的催化剂层和一个由石墨纸制成的透气电极。膜被两个双极板包围，双极板中铣入了气体管路。通过这些气体管道，一侧是氢气，另一侧是氧气。单个燃料电池一个接一个地堆叠，大约400个燃料电池形成一个完整的燃料电池堆，为车辆提供动力。2.戴姆勒-奔驰GLCf-cell02燃料电池堆结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、典型氢燃料电池汽车电堆总成结构丰田Mirai燃料电池堆由370个电芯组成，升压系统最终的最大输出电压可达650V，满足驱动电机的最大输出要求，组件包括主要包括燃料电池堆、辅助部件（氢气循环泵等）和燃料电池升压转换器。集成这些组件可实现更小、更轻且更便宜的燃料电池堆组件。3.丰田Mirai电堆的结构03PARTTHREE燃料电池堆结构认知03储氢系统结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、高压气态储氢氢气易燃易爆，在应用储存过程中要较高的安全技术高压气态储氢技术是氢燃料汽车采用的主要方案。高压气态储氢是指通过高压压缩方式来储氢，其储存耗能低、成本低、充放气的速度快，在常温下就可以直接放气，即使在零下几十摄氏度的环境中依旧能够正常工作。高压气态储氢容器主要有金属储氢容器、金属内衬纤维缠绕储氢容器和全复合储氢容器。我国高压储氢、加氢技术已跃居世界先进水平，也已经研制出70MPa高压储氢罐。03储氢系统结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、常见燃料电池汽车的储氢系统丰田公司已经将70MPa的高压储氢罐用于商用燃料电池汽车，Mirai通过碳纤维增强塑料层结构，实现更轻的储罐重量，其使用的两个储氢罐的容量分别为60L和62.4L，外保护层是一种能有效减小冲击的玻璃纤维保护层，由玻璃纤维和环氧树脂组成，通过环氧树脂进行加热固化，以保证罐体强度，中间是可以抗压的碳纤维增强树脂缠绕层，内层有一层塑料内衬，储氢罐可以承受高压冲击，实现了5.7%（质量分数）的储氢性能。1.丰田Mirai03储氢系统结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、常见燃料电池汽车的储氢系统本田的ClarityFCV氢燃料电池汽车及高压气罐如图4-1-20所示，可以看出该车安装了两个储氢罐，较大的117L主储氢罐放置在后排座椅后面（行李箱下方）在高刚性的后副车架内，第二个较小的24L储氢罐放置在后排座椅下方。双储氢罐的应用将氢气容量提升了39%，达到141L，可储存5kg高压氢气，铝衬里氢气罐可承受70MPa的内部压力，由两个气体喷射器精确控制压力和流速，输送到燃料电池组。2.本田的ClarityFCV03储氢系统结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、常见燃料电池汽车的储氢系统两个安装在车辆地板上的碳纤维外壳罐可容纳约4.4公斤的氢气。得益于全球标准化的700bar储罐技术，氢气的供应可以在短短三分钟内补充完毕，这与为装有内燃机的汽车加油所需的时间大致相同。3.戴姆勒-奔驰GLCf-cell04PARTFOUR燃料电池堆结构认知04氢燃料电池汽车动力系统配置方案职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、氢燃料电池汽车常见的动力配置方案氢燃料电池汽车动力总成的配置方案按驱动形式可分为纯氢燃料电池驱动（PFC）、氢燃料电池+蓄电池驱动（FC+B）、插电式等多种。04氢燃料电池汽车动力系统配置方案职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、氢燃料电池汽车常见的动力配置方案该方案的动力源为燃料电池单一动力源，汽车所有功率负荷都由燃料电池承担。这种类型的优点就是结构简单，整车装备质量轻，控制实现相对容易。但是存在以下缺点：（1）燃料电池的功率大，成本昂贵；（2）需要很高的燃料电池系统动态性能和可靠性；（3）不能对制动能量回收；（4）冷启动时间长（5）电堆不允许电流双向流动。1、纯氢燃料电池驱动（PFC）04氢燃料电池汽车动力系统配置方案职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、氢燃料电池汽车常见的动力配置方案蓄电池组配合氢燃料电池系统作为能量供应系统，共同为整车提供能量进行混合驱动，能量供给系统提供的电能经过电机驱动系统转化成机械能传递到传动系统。在爬坡、加速等需求功率较大的工况下，氢燃料电池和蓄电池共同输出能量，延长了氢燃料电池使用寿命；在减速、制动等需求功率较小的工况下，电池管理系统还能控制制动能量回收到蓄电池。这种驱动方案对氢燃料电池动态特性及功率要求较低，冷起动性能较好、可靠性高。目前此种驱动方案应用相对广泛。2、氢燃料电池+蓄电池驱动（FC+B）04氢燃料电池汽车动力系统配置方案职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、氢燃料电池汽车常见的动力配置方案此方案有纯氢燃料电池驱动和混合驱动两种驱动模式，蓄电池可利用外部电网进行充电，代表车型是上汽荣威950。这种动力配置方案不仅能够发挥氢燃料电池汽车低速性能好的优势，有效解决车辆起停和排放问题，还能较好地解决氢燃料电池汽车性能、配置和成本三者之间的矛盾。3、插电式动力配置方案（Plug-inFC+B）04氢燃料电池汽车动力系统配置方案职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、氢燃料电池汽车常见的动力配置方案用超级电容代替蓄电池，超级电容具有较高的功率密度和较低的能量密度，它允许较大的充放电电流，并且充电速度比电池快。采用该超级电容的突出优点是寿命长和效率高，改善了整车的瞬态特性，使得电机负载对燃料电池系统的冲击有所减免，提高了燃料电池工作稳定性，延长了工作寿命。但是超级电容的能量密度比较低。而由于电压与其荷电状态的关联性，控制其充放电电流，增加放电时间比较困难，维护费用高。4、燃料电池+超级电容驱动（FC+C）04氢燃料电池汽车动力系统配置方案职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、氢燃料电池汽车常见的动力配置方案在电压总线上再并联一组超级电容，用于提供加速或吸收紧急制动的峰值电流，减轻蓄电池负担，延长其使用寿命。燃料电池所提供的功率占整车总需求功率的比例较小，燃料电池只能提供一部分车辆行驶需求功率，不足部分还需其它动力源，如蓄电池或超级电容提供。这种模式是目前燃料电池电动汽车混合动力驱动的理想模式。但是需配备较大容量的蓄电池，故整车自量增加，动力性变差，布置空间紧张。5、燃料电池+蓄电池+超级电容驱动（FC+B+C）04氢燃料电池汽车动力系统配置方案职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、氢燃料电池汽车常见的动力配置方案超高速飞轮是机械方式储能元件，具有高比能量、高比功率、长循环寿命、高效率、快速补充能量、免维护和环境友好等特点，可以应用到混合动力汽车中。超高速飞轮的加入可以提高系统的效率和输出。但由于成本高、控制困难的原因，实际应用较少。目前，世界各国政府和各大整车厂都在氢燃料电池和氢燃料汽车的研发生产方面投入了大量资源，尤其以日本的丰田、本田汽车公司等为代表。6.燃料电池+蓄电池+超高速飞轮项目二燃料电池汽车电堆总成的工作原理分析职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理目录CONTENTS123氢气与空气供给子系统结构认知热管理子系统结构认知电堆工作原理分析学习目标1了解FCEV供氢和空气供给系统的类型和特点认识质子交换膜燃料电池工作原理和单体结构23了解燃料电池堆热管理系统的组成和功用01PARTONE氢气与空气供给子系统结构认知01氢气与空气供给子系统结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、车载储氢式供氢系统氢气供应子系统也叫燃料处理系统，其主要作用是把输入的燃料进行增湿等相关处理，从而转变成适合于在燃料电池堆内反应的富氢气体，保证燃料电池堆阳极侧温度、压力及流量（湿度），提高氢气的利用率。氢气供给系统主要包括氢气喷射器、氢气循环泵、氢气引射器等部件组成，氢气喷射器用来控制进入燃料电池堆的氢气压力及流量，并根据工况需求进行相应调整；氢气循环泵将燃料电池堆出口未发生反应的氢气循环至燃料电池堆入口，同时也将出口处的水汽循环至入口，起到进气增湿的作用，同时增加氢气利用率，并减少氢气排放，减小安全隐患。01氢气与空气供给子系统结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、车载储氢式供氢系统储氢式氢气供应系统将已经制备好的氢气预先存储在高压储氢罐中，使用时，从高压储氢罐中将氢气供应给氢燃料电池系统。当高压储氢罐内氢气不足时，需要从氢气补充站补充氢气。因此，车载储氢式供氢系统主要有加氢和供氢两个工作过程。车载储氢式供氢系统结构主要包括1-车轮、2-传动系统、3-驱动电机、4-功率逆变器、5-辅助电源（锂离子电池）、6-燃料电池堆、7-空气分离制氧装置、8-氢气管理系统、9-整车控制器、10-DC/DC变换器、11-车载储氢罐等结构。01氢气与空气供给子系统结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、车载制氢式供氢系统车载制氢是利用燃料处理器，用重整或部分氧化等方式从碳氢燃料中获得氢。适合于车载制氢的燃料可以是醇类（甲醇、乙醇、二甲醚），也可以是烃类（柴油、汽油、甲烷等）。车载制氢式供氢系统结构主要包括1-车轮、2-传动系统、3-驱动电机、4-功率逆变器、5-辅助电源（锂离子电池）、6-燃料电池堆、7-空气分离制氧装置、8-氢气管理系统、9-整车控制器、10-DC/DC变换器、11-车载甲醇制氢装置、12-甲醇储存罐、13-H2净化装置等结构。在甲醇水蒸气重整制氢时，甲醇储存罐和热蒸汽之间化学反应产生氢，经过H2净化装置后进入电堆。01氢气与空气供给子系统结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理三、储氢系统的氢气输送线路常见的储氢式供氢子系统结构如图所示。其供氢过程如下：氢气由氢气加注口加注至4个储氢罐中，这4个罐内压力超过70MPa的储氢罐一共可以储存大约5kg的氢气。在全燃料电池模式下，车辆行驶100km大约需要1kg的氢气。因此，理论上的氢燃料电池汽车的续驶里程都可以达到500km左右。01氢气与空气供给子系统结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理四、空气供给子系统质子交换膜燃料电池的阴极燃料可以是空气和氧气。但纯氧一般应用于一些特殊的环境，例如缺乏空气来源的潜水艇燃料电池等，而普通车辆上的燃料电池一般采用空气作为阴极的燃料。使用空气作为氧化剂可以避免阴极燃料的提取和储存，可以简化进气系统结构，降低系统成本，空气中其他惰性气体对燃料电池也没有影响。空气供给系统主要有空气过滤器、空气压缩机、空气冷却器、加湿器等部件。空气过滤器阻止空气中的杂质进入电堆，保证气体纯净。01氢气与空气供给子系统结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理四、空气供给子系统空气压缩机是将常压下的空气增压到阳极氢气的压力，目的是增加燃料电池反应的效率和速率，燃料电池两侧的压力越大越好，这样效率更高，单位时间内产生的电流越大，质子交换膜电池系统的典型工作压力为1-3MPa，空压机具有以下基本要求：（1）无油。润滑油馍覆盖在质子交换膜上，会隔绝氧气和氢气的电化学反应；（2）小型化和低成本，有利于产业化；（3）低噪音，空压机的噪声是燃料电池发动机的主要噪声来源；（4）特性范围宽，动态响应快，满足环境温度、海拔高度变化需求，在每个工况下都能够及时提供适合的压缩空气。01氢气与空气供给子系统结构认知职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理四、空气供给子系统冷却器将从空气压缩机中出来的高温高压气体冷却到燃料电池正常工作温度，防止损伤燃料电池。加湿器可以提高反应气体的湿度，提高燃料电池的性能。质子交换膜在工作温度较高时，水分的减少造成膜的质子电导率降低，从而引起质子交换膜电阻的增加，电池性能降低，加湿器可以给气体加湿，也可以控制温度，如图为某燃料电池的加湿器。02PARTTWO电堆工作原理分析02电堆工作原理分析职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、燃料电池堆热量的产生机理热管理子系统用以维持燃料电池系统的热平衡，可以回收多余的热量，并在燃料电池系统启动时能够进行辅助加热，保证燃料电池堆内部快速到达适宜的温度区间，每种类型的燃料电池都需要电堆保持在一定的温度区间内才能正常工作，这进一步体现了有效热管理的重要性。不同类型燃料电池的工作温度对比见图。其中左图表示不同燃料电池的工作温度、效率、系统复杂性、制造成本和材料成本之间的关系。02电堆工作原理分析职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、燃料电池堆热量的产生机理燃料电池在电化学反应时，因伴随着如下几个环节而同时会产生热量：发生在电极表面电荷转移的电化学反应、电极和电解质之间界面处电解质的扩散和对流、导致反应物浓度降低而产生的电池内阻、电池端子处的接触电阻等。此外，反应产生的水蒸气冷凝过程中也会产生一定量的热量。02电堆工作原理分析职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、燃料电池热管理系统结构氢燃料电池的热管理系统是将电堆反应生成的热量排出系统外，使电堆维持在最适宜的温度工作。因为高温、干燥、水淹和低温都会对燃料电池带来不利影响，因此，需要对电堆的温度、质子交换膜含水量进行监控，并快速调整电堆的冷却策略及加湿策略，使燃料电池堆工作在适宜的温度和湿度下。当温度过高时，电堆能够有效冷却；当温度过低时，电堆能实现低温快速冷启动。一个典型的氢燃料电池热管理系统循环主要包含:①水泵、②节温器、③去离子器、④中冷器、⑤水暖PTC、⑥散热器、⑦冷却管路等。02电堆工作原理分析职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、燃料电池热管理系统结构水泵是氢燃料电池热管理系统的“心脏”，它给系统冷却液做功，使冷却液循环。一旦电池堆温度升高超过限制，冷却水泵就加大冷却液的流速来给电堆降温。为了保证电堆产生的热量能够快速、有效的散发，水泵自身也要具备很高的“素”质，大流量、高扬程、绝缘及更高的EMC能力是必不可少的。此外，水泵还需要实时反馈当前的运行状态或故障状态。02电堆工作原理分析职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、燃料电池热管理系统结构电子节温器的作用是通过调节开度来调节散热系统中的大小循环的水流量，以实现精准温控。中冷器的作用是冷却来自空压机的压缩空气，它通过冷却液和空气的热交换来降低压缩空气温度，使进入电堆的空气温度在合理的范围内，主要结构由芯体、主板、水室和气室组成。中冷器的特点是热交换量大，清洁度要求高及离子释放率低。02电堆工作原理分析职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、燃料电池热管理系统结构氢燃料电池运行过程中，冷却液的离子含量会增高，使其电导率增大，系统绝缘性降低，去离子器就是用来改善这种现象。通过吸收热管理系统中零部件释放的阴阳离子，去离子器降低了冷却液的电导率，使系统处于较高的绝缘水平。去离子器由壳体、滤网、树脂及进出口管组成。它的要求是离子交换量大、吸收离子速率快，同时成本低。02电堆工作原理分析职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、燃料电池热管理系统结构水暖PTC是给电堆在低温冷启动时给冷却液辅助加热的，在环境温度较低的情况下，燃料电池面临低温挑战。为使冷却液尽快达到需求的温度，缩短燃料电池系统冷启动时间水暖PTC由加热芯体、控制板及壳体组成，其要求是响应快、功率稳定。02电堆工作原理分析职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、燃料电池热管理系统结构散热器的作用是散热，将冷却液的热量传递给环境，其本体要求的散热量大，清洁度高，离子释放率低，散热器风扇要求风量大、噪音低、无级调速并需要反馈相应的运行状态。02电堆工作原理分析职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理二、燃料电池热管理系统结构（1）阳极热交换子系统。阳极热交换子系统用于将进入的氢气加热到电池堆的工作温度。阳极上的循环支路用于加湿氢气以及对未消耗的氢气再循环来增加系统的氢气利用率。（2）阴极热交换子系统。阴极热交换子系统控制通过中间冷却器流到水蒸气转移单元的空气，对进入电堆的空气流进行加湿。加湿器周围还有一个旁路阀支路，用于向电堆控制入口湿度。（3）热子系统。热子系统用于调节电堆温度。现代ix35燃料电池汽车热管理系统03PARTTHREE电堆工作原理分析03电堆工作原理分析职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、质子交换膜（PEM）燃料电池工作原理现阶段国内外燃料电池主流应用技术是聚合物电解质膜（PEM）燃料电池，在PEM燃料电池中，电解质膜夹在正极（阴极）和负极（阳极）之间。氢气被引入阳极，氧气（来自空气）被引入阴极。由于燃料电池催化剂中的电化学反应，氢分子分裂成质子和电子。然后质子穿过膜到达阴极。电子被迫通过外部电路进行工作（为电动汽车提供动力），然后与阴极侧的质子复合，质子、电子和氧分子在阴极侧结合形成纯水03电堆工作原理分析职业能力四学会燃料电池汽车构造与原理一、质子交换膜（PEM）燃料电池工作原理从结构上来说，燃料电池单体主要由质子交换膜（PEM）、催化层（CL）、微孔层（MPL）、扩散层（GDL）、双极板（FFP）组成，其中的质子交换膜、阴极和阳极催化层、阴极和阳极气体扩散层组成膜电极（