新能源汽车构造与故障检修课件 -认识燃料电池和燃料电池电动车

新能源汽车构造与故障检修燃料电池汽车技术任务一：认识燃料电池和燃料电池电动车项目导入

自20世纪50年代起，我国便持续开展燃料电池相关技术的研究工作，旨在探寻一种能替代燃油且储量丰富的新能源。燃料电池作一种对环境无污染、真正意义上的“零排放”清洁能源，现已正式被纳入我国“十四五”规划和2035年远景目标之中。未来燃料电池产业导向将更加清晰，产业顶层设计也将进一步完善。任务目标知识目标：掌握燃料电池的性能指标；

掌握燃料电池的结构及工作原理；掌握燃料电池的分类及特点。

掌握燃料电池电动汽车的结构；掌握燃料电池电动汽车的工作原理技能目标：认识燃料电池汽车素养目标：在独立完成任务和团队协作过程中，注重职业素养的培养，促使学生在学习过程中养成良好的职业行为习惯和树立正确的职业道德观念；课程教学中注重工匠精神的培育，使学生在学习过程中逐渐形成追求卓越、精益求精、严谨认真的职业精神。知识学习知识点一、燃料电池的性能指标

燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化成电能的电化学装置。燃料电池的性能指标主要有以下几种：（1）额定电压：在特定工况条件下，当燃料电池处于额定功率时电堆的端电压。（2）额定电流：制造商规定的最大连续电流，在特定工况条件下，燃料电池在额定功率时电堆的电流。（3）额定功率：在制造商规定的正常运行条件下，所设计的燃料电池发电系统的最大连续电输出功率。（4）电流密度：指单位活性(有效)面积上的电流强度，单位为A/或A/，该指标是衡量单个燃料电池的关键要素。（5）功率密度：燃料电池单位活性面积的功率。（6）寿命：燃料电池在规定的运行条件下，从首次起动到其电压降至低于规定的最低可接受电压时的时间间隔。（7）效率：指设备输出的有用能量流与输入能量流的比值，此指标与能源利用率密切相关，是燃料电池的重要指标。知识学习知识点二、燃料电池的结构及工作原理

一个单体燃料电池由阳极、阴极和电解质隔膜构成。其发电原理与化学电源相似，电极提供电子转移的场所，阳极对燃料（如氢气等）起到催化作用，阴极对氧化剂（如氧等）的还原过程进行催化；导电离子在分隔的阴阳极电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电回路，如图5-1-1所示。图5-1-1

燃料电池结构及工作原理知识学习知识点三、燃料电池的分类及特点

不同于普通电化学电池，燃料电池的活性物质(燃料和氧化剂)存储于电池外部，电极本身不包含活性物质，仅作为催化转换元件。只要不断地提供燃料和氧化剂，燃料电池就能持续供电，故而可以认为其容量是无限的。燃料电池根据使用的电解质种类的不同，可分为质子交换膜燃料电池(PEMFC)、碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)等。知识学习知识点三、燃料电池的分类及特点

（一）质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池采用具有离子交换能力的聚合物作为电解质，也称作聚合物电解质燃料电池(PEFC)或固体聚合物燃料电池(SPFC)，是目前应用最为广泛的燃料电池。1.质子交换膜燃料电池的结构和工作原理质子交换膜燃料电池主要由质子交换膜、催化剂、电极(阳极与阴极)等组成。其工作原理如图5-1-2所示。图5-1-2

质子交换膜燃料电池工作原理知识学习知识点三、燃料电池的分类及特点

工作时，在阳极处，氢气被转换为氢离子并释放出电子，电子通过外部电路回到电池阴极形成电流；同时，氢离子通过电池内部的质子交换膜到达阴极。在阴极，氧气转变为氧原子，氧原子得到从阳极传过来的电子变成氧离子，并与氢离子结合生成水。

质子交换膜是质子交换膜燃料电池最重要的部件，其性能优劣直接影响电池的性能和寿命。质子交换膜不仅是分隔阳极燃料与阴极氧化剂的隔膜材料，还是电解质和电极活性物质(催化剂)的基底，即兼具隔膜和电解质的作用；此外，它还是一种选择透过性膜，只允许氢离子通过。知识学习知识点三、燃料电池的分类及特点2.质子交换膜燃料电池的特点1）质子交换膜燃料电池的优点（1）能量转换效率高：质子交换膜燃料电池经过氢氧化合作用，将化学能直接转化为电能，期间没有热机过程，不受卡诺循环限制，能量转换效率高。（2）可实现零排放：水是唯一的排放物，没有污染物排放，属于环保型能源。（3）噪声低：该电池没有机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。（4）维护方便：其内部构造简单，电池模块呈现自然的“积木化”结构，组装和维护都很方便。（5）发电效率平稳：负荷变化对发电效率的影响很小，很适合用作新能源汽车的动力源。（6）燃料来源广泛：氢气来源极其广泛，可通过石油、天然气等重整制氢气，也可通过电解水、光解水等制氢气。氢气是一种可再生的能源资源。知识学习知识点三、燃料电池的分类及特点2）质子交换膜燃料电池的缺点（1)成本高：质子交换膜和催化剂的价格都十分昂贵。（2)对氢气纯度要求较高：质子交换膜燃料电池需要纯净的氢气，而氢气极易受到一氧化碳和其他杂质的污染。（二）碱性燃料电池碱性燃料电池的设计与质子交换膜燃料电池基本相似，但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。碱性燃料电池具有以下特点。

1.碱性燃料电池的优点（1）能量转换效率高：碱性燃料电池的能量转换效率可达55%。（2）可靠性高：可以使用非贵金属作为催化剂，增加了碱性燃料电池的可靠性。（3）技术发展快：碱性燃料电池是当前技术发展最快的一种电池，可用于新能源汽车，也可为飞机提供动力和饮用水等，具有广阔的发展空间和应用前景。（4）成本低：碱性燃料电池是燃料电池中生产成本最低的一种电池。知识学习知识点三、燃料电池的分类及特点2.碱性燃料电池的缺点（1）具有一定的危险性：由于使用具有腐蚀性的液态电解质，因此具有一定的危险性。（2）易污染环境：电解质泄漏会造成环境污染。（3）系统复杂性较高：为解决二氧化碳毒化所采用的一些方法，增加了系统的复杂性。（三）磷酸燃料电池磷酸燃料电池是以磷酸水溶液作为电解质的酸性燃料电池。它是目前唯一实现商业化运行的燃料电池。磷酸燃料电池的工作温度比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池略高，为150~200℃，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。其阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但由于工作温度较高，其阴极反应速度比质子交换膜燃料电池更快。知识学习知识点三、燃料电池的分类及特点1.磷酸燃料电池的优点（1）对杂质的耐受性较强：较高的工作温度使磷酸燃料电池对杂质具有较强的耐受性，当其反应物中含有1%~2%的一氧化碳和百万分之几的硫时，磷酸燃料电池仍然可以工作。（2）电解质挥发度低。（3）构造简单。2.磷酸燃料电池的缺点（1）能量转换效率低。磷酸燃料电池的能量转换效率比其他燃料电池低，约为40%。（2）加热时间较长。（四）熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极和金属极板构成，其电解质是熔融碳酸盐。当温度加热到650℃时，碳酸盐熔化产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水、二氧化碳和电子，电子通过外部电路返回阴极，从而完成循环放电。知识学习知识点三、燃料电池的分类及特点1.熔融碳酸盐燃料电池的优点（1）能量转换效率高：熔融碳酸盐燃料电池的能量转换效率高于40%。（2）噪声低、无污染。（3）成本低：不需要使用贵金属催化剂，成本较低。（4）易于操作。2.熔融碳酸盐燃料电池的缺点（1）寿命短：在高温条件下，熔融电解质的管理难度较大，长期操作过程中，腐蚀和渗漏现象严重，影响电池的寿命。（2）易污染环境。（五）固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池使用离子导电氧化物作为电解质，是一种在中高温条件下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化成电能的全固态电化学装置。固体氧化物燃料电池工作温度高，为800~1000℃。在固体氧化物燃料电池中，当氧离子从阴极移动到阳极时，氧化燃料气体(主要是氢和一氧化碳的混合物)便产生电能，即在阳极生成电子，电子通过外部电路返回到阴极形成电流，从而完成循环放电。知识学习知识点三、燃料电池的分类及特点1.固体氧化物燃料电池的优点（1）能量转换效率高：固体氧化物燃料电池将化学能直接转化为电能，期间没有热机过程，因此不受卡诺循环限制，能量转换效率高。（2）寿命长：固体氧化物燃料电池是全固态的电池结构，不存在电解质渗漏问题，无需配置电解质管理系统，可实现长寿命运行。（3）低排放、低噪声。（4）废热的再利用价值高。2.固体氧化物燃料电池的缺点（1）组装困难：电解质材料为陶瓷材料，质脆易裂，电堆组装困难。（2）自由能存在损失。（3）不适用于需要经常起动的非固定场所：工作温度较高，预热时间较长，因此不适用于需要经常起动的非固定场所。知识学习知识点三、燃料电池的分类及特点（六）直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池通常以质子交换膜为电解质，直接使用气态或液态形式的甲醇作为燃料，无需通过重整器重整甲醇、汽油及天然气等再取出氢气以供发电。直接甲醇燃料电池具有以下特点。1.直接甲醇燃料电池的优点（1）燃料来源丰富：甲醇来源丰富，价格低廉，且储存、携带方便。（2）结构简单，操作方便。2.直接甲醇燃料电池的缺点当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时，比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。六种燃料电池的主要特征参数见表5-1-1。知识学习知识点三、燃料电池的分类及特点特征参数质子交换膜燃料电池碱性燃料电池磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池直接甲醇燃料电池燃料氢气氢气氢气氢气、一氧化碳氢气、一氧化碳氢气、一氧化碳电解质质子交换膜碱溶液磷酸水溶液熔融碳酸盐固态二氧化锆质子交换膜工作温度80℃左右60~120℃170~210℃60~650℃1000℃左右80℃左右氧化剂空气或氧气氧气空气空气空气空气或氧气电极材料CCCNi-MNi-YSZC催化剂PtPt、NiPtNiNiPt腐蚀性中中强强无中寿命100000h10000h15000h13000h7000h100000h效率＞60%60%~70%40%~50%＞60%＞60%＞60%特性功率密度高，运行灵活，无腐蚀性效率高，有腐蚀性效率低，有腐蚀性效率高，控制复杂，有腐蚀性效率高，运行湿度高，有腐蚀性功率密度高，运行灵活，无腐蚀性应用领域航天、军事、汽车、固定式用途航天、军事大客车、中小电厂、固定式用途大型电厂大型电厂、热力站、固定式用途航天、军事、汽车、固定式用途表5-1-1

六种燃料电池的主要特征参数知识学习知识点四、燃料电池电动汽车结构

燃料电池电动汽车是以燃料电池作为动力源或主动力源的汽车，通常采用质子交换膜燃料电池。

燃料电池电动汽车主要由燃料电池系统、辅助动力源、DC/DC变换器、驱动电机、控制系统、高压储氢罐等组成，如图5-1-3所示。图5-1-3燃料电池电动车结构知识学习知识点四、燃料电池电动汽车结构

1.燃料电池系统

燃料电池系统为燃料电池电动汽车提供主要动力，其主要由燃料电池、供氧系统、排水系统、供氢系统、冷却系统等组成。2.辅助动力源

辅助动力源主要用于燃料电池电动汽车的快速起动，储存制动能量回收系统提供的电能，还可以为低压设备提供低压电源。常见的辅助动力源类型有锂离子电池、超级电容、飞轮电池等。由于燃料电池电动汽车的设计方案存在差异，其所采用的辅助动力源也有所不同。既可以从辅助动力源中选择一种与燃料电池组成双电源的混合动力系统，也可采用锂离子电池＋超级电容＋燃料电池或锂离子电池＋飞轮电池＋燃料电池组成三电源的混合动力系统。知识学习知识点四、燃料电池电动汽车结构

3.DC/DC变换器DC/DC变换器主要用于调节燃料电池的输出电压，由电子控制器控制。燃料电池的电流是单向流动的，电子控制器通过调节DC/DC变换器的输出电压，使燃料电池输出的较低电压上升至驱动电机所需的电压，如图5-1-4所示。图5-1-4DC/DC变换器知识学习知识点四、燃料电池电动汽车结构

4.驱动电机

驱动电机的作用是将燃料电池所提供的电能转换为电磁转矩，并通过传动装置驱动车辆行驶。燃料电池电动汽车用的驱动电机主要有直流电机、交流电机、永磁电机和开关磁阻电机等。驱动电机的选型必须结合整车开发目标，综合考虑驱动电机的特点。5.控制系统

控制系统用于控制燃料电池的反应过程和驱动电机的运行过程。它主要由传感器、电控中心、各监控模块等组成。传感器负责采集燃料电池电动汽车的所有工作状态，并反馈给电控中心；随后，电控中心通过各监控模块控制燃料电池和驱动电机的运行。6.高压储氢罐

高压储氢罐是氢气的储存装置，其作用是为燃料电池提供氢气。为保证燃料电池电动汽车的续驶里程，一般轿车需要2~4个高压储氢罐，大客车需要5~10个高压储氢罐。知识学习知识点五、燃料电池电动汽车的工作原理

燃料电池电动汽车通常以氢气或高含氢重整气作为燃料，其工作原理如图5-1-5所示。高压储氢罐中的氢气或高含氢重整气通过供氢系统进入燃料电池堆，大气中的氧气通过供氧系统进入燃料电池堆，在燃料电池堆中，氢气与氧气发生氧化还原反应，产生化学能。燃料电池将化学能转化为电能，并通过DC/DC变换器变为稳定的直流电。直流电经过电机控制器变为交流电，带动驱动电机工作。驱动电机产生的机械能经减速器传给驱动轮，驱动车辆行驶。图5-1-5燃料电池电动汽车的工作原理相关知识知识点六、燃料电池电动汽车的分类及特点

(一)按有无其他储能装置分类

燃料电池电动汽车按照有无其他储能装置，可分为纯燃料电池电动汽车和混合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仅以燃料电池作为唯一动力源，车辆需要的所有功率负荷都由燃料电池承担。其驱动系统将燃料电池产生的电能传递给驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能再传递给减速器，驱动车辆行驶。纯燃料电池电动汽车动力系统的结构如图5-1-6所示。图5-1-6纯燃料电池电动汽车动力系统的结构知识学习知识点六、燃料电池电动汽车的分类及特点

(一)按有无其他储能装置分类

这种动力系统具有结构简单、部件少、控制便捷等特点，有利于整车的轻量化，提高了能量传递效率。但燃料电池功率大、成本高，这对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求。此外，纯燃料电池电动汽车无法回收车辆制动能量，因此目前应用较少。2.混合燃料电池电动汽车

为了改善纯燃料电池电动汽车的缺点，在车上配备其他储能装置(如动力电池、超级电容和飞轮电池等)，便成为混合燃料电池电动汽车。在混合燃料电池电动汽车中，通常燃料电池与其他储能装置一起为驱动电机提供电能，驱动电机将电能转化为机械能再传递给减速器，驱动车辆行驶。

混合燃料电池电动汽车按照动力源配置的不同，可分为燃料电池与锂离子电池联合驱动(FC+B)的电动汽车、燃料电池与超级电容联合驱动(FC+C)的电动汽车、燃料电池与锂离子电池和超级电容联合驱动(FC+B+C)的电动汽车。知识学习知识点六、燃料电池电动汽车的分类及特点

（1）燃料电池与锂离子电池联合驱动(FC+B)的电动汽车：由燃料电池和锂离子电池共同为驱动电机提供能量，如图5-1-7所示。目前这种结构形式应用较为广泛，它具有整车成本低、燃料电池效率高等优点；但也具有整车质量较大、系统控制和整体布置难度较大等缺点。图5-1-7(FC+B)电动汽车结构知识学习知识点六、燃料电池电动汽车的分类及特点

（2）燃料电池与超级电容联合驱动(FC+C)的电动汽车：其结构与FC+B的电动汽车相似，只是将锂离子电池换成超级电容，如图5-1-8所示。相对于锂离子电池，超级电容具有充放电效率高、能量损失小、循环寿命长等优点，但超级电容的能量密度较小。图5-1-8FC+C电动汽车结构相关知识知识点六、燃料电池电动汽车的分类及特点

（3）燃料电池与锂离子电池和超级电容联合驱动(FC+B+C)的电动汽车：由燃料电池、锂离子电池和超级电容共同为驱动电机提供能量，如图5-1-9所示。在这种结构形式中，各动力源的分工更加明确，因此它们的优势能得到更好地发挥；但缺点也更加明显，表现为整车质量明显增大、系统更加复杂。图5-1-9FC+B+C电动汽车结构知识学习知识点六、燃料电池电动汽车的分类及特点

（二）按所使用的燃料分类

根据燃料电池所使用燃料的不同，燃料电池电动汽车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。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氢气，其结构如图5-1-10所示。直接燃料电池电动汽车的排放物无污染，被认为是最理想的燃料电池电动汽车类型，但存在氢气制取和储存困难等缺点。图5-1-10直接燃料电池电动汽车的结构知识学习知识点六、燃料电池电动汽车的分类及特点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。其结构比氢燃料电池电动汽车复杂得多。例如，甲醇重整燃料电池电动汽车需要将甲醇加热至200℃左右以从中分解出氢气，汽油重整燃料电池电动汽车则需要将汽油加热至1000℃左右以从中分解出氢气。无论采用何种燃料，重整燃料电池电动汽车均需设置重整装置，将其他燃料转化为燃料电池所