新能源汽车结构与检修（第2版）课件：燃料电池电动汽车

活塞连杆组故障诊断与修复燃料电池电动汽车

学习目标

完成本学习任务后，你应该能：1.掌握燃料电池的工作原理和分类；2.熟悉燃料电池发电系统的组成和工作原理；3.熟悉汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理；4.熟悉燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理。

1.燃料电池的工作原理

燃料电池实质上是电化学反应发生器，其反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧而直接转化为电能。氢氧燃料电池实际上就是一个电解水的逆过程，通过氢氧的化学反应生成水并释放电能，氢气和氧气分别是反应过程中的燃料和氧化剂。一、燃料电池的工作原理和分类

1.燃料电池的工作原理

如图1-21所示，燃料电池通常由三部分组成，即正极（A）、负极（C）和电解质（E）。正极（燃料电极）为燃料和电解液提供了一个接触面，在催化剂作用下发生氧化反应并输出电子到外电路。另一方面，负极（氧气电极）为氧气和电解质提供了一个接触面，在催化剂作用下发生还原反应并从外电路接受电子。在正极和负极之间，电解质用于传递燃料反应的离子，并和氧气电极反应，而且还用于传递电子。一、燃料电池的工作原理和分类

1.燃料电池的工作原理

一、燃料电池的工作原理和分类图1-21燃料电池的基本工作原理

1.燃料电池的工作原理

氢气具有比任何燃料都高的单位比能量，是燃料电池理想的无污染燃料，而且燃料电池的反应生成物为纯净的水，其反应方程式为：

氢气不是初级燃料，通常需要从初级燃料例如碳氢化合物（CH4-C10H22）、甲醇和煤等，通过处理提取得到。一、燃料电池的工作原理和分类

2.燃料电池的分类

由于燃料电池是一个多变量系统，如燃料类型、电解质类型、燃料供给方式和工作温度等，所以燃料电池具有多种归类方法。（1）按照工作温度分。

可以分为高温型、中温型及低温型三类。工作温度低于100℃为低温型，工作温度在100~300℃之间为中温型，工作温度高于500℃为高温型。一、燃料电池的工作原理和分类

2.燃料电池的分类（2）按燃料的来源分。

根据燃料电池使用燃料的来源不同，可分为直接性燃料电池、间接型燃料电池和再生型燃料电池三类。

直接型燃料电池是指燃料不经过转化步骤直接参加燃料电池的电极反应的燃料电池。比如氢氧燃料电池，燃料直接使用氢气。

间接型燃料电池是指燃料不直接参加电化学反应，而是要通过重整等方法将燃料转化后再供给燃料电池发电的燃料电池。比如将甲醇重整后富氢的混合气作为燃料电池的燃料，即其燃料不是直接使用氢气，而是通过某种方法把甲烷、甲醇或其他烃类化合物转变成氢或含富氢的混合气后再供给燃料电池。一、燃料电池的工作原理和分类

2.燃料电池的分类（3）按照燃料电池电解质类型分。

一般分为碱性燃料电池（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）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。一、燃料电池的工作原理和分类

3.质子交换膜燃料电池结构与原理

最近电动汽车用燃料电池的开发重点集中在质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术上。

质子交换膜燃料电池的结构原理如图1-22所示。一、燃料电池的工作原理和分类图1-22质子交换膜燃料电池结构原理

3.质子交换膜燃料电池结构与原理

电池单体主要由膜电极（正极和负极、质子交换膜）和集流板组成。电池的具体反应步骤为，经增湿后的H2和O2，分别进入正极室和负极室，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，电化学反应方程式如下。一、燃料电池的工作原理和分类

单独的燃料电池堆是不能发电并应用于汽车的，它必须和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料电池发电系统，简称燃料电池系统（FuelCellSystem，FCS），才能对外输出功率。目前最成熟的技术是以纯氢为燃料的发电系统，系统结构相对简单，仅由氢源、稳压阀和循环回路组成。典型的燃料电池发电系统示意图如图1-23所示。二、燃料电池发电系统的组成和工作原理图1-23典型的燃料电池发电系统示意图

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、控制系统等方面与纯电动汽车基本相同，主要区别在于动力蓄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，电化学反应所采用的还原剂一般为氢气，氧化剂为氧气或空气。图1-24所示为典型汽车用燃料电池发电系统（燃料电池发动机系统）的基本原理。其组成如图1-25所示，其子系统包括强制通风系统、储气系统、氢安全系统、水管理系统、热管理系统、反应物排放后处理系统、压力调整前处理系统和测试控制平台等。三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理

三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理图1-24汽车用燃料电池发电系统的基本原理

三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理图1-25燃料电池发动机系统组成

按燃料电池发动机系统的增湿类型来划分，燃料电池发动机可分为内增湿型和外增湿型两类。按燃料的供应方式来分类，分为直接供氢型和间接供氢型。直接供氢就是直接用氢作燃料，没有中间重整过程；间接供氢是通过重整装置先将氢从其他形式的燃料中分离出来。三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理

燃料电池电动汽车的结构有多种形式：按照驱动形式，可分为纯燃料电池驱动和混合驱动；按照燃料电池系统的能量来源，又可分为车载纯氢和燃料重整两种方式。由于燃料电池电动汽车正处在研究的初期阶段，所以各种技术竞相试用并各有优缺点。四、燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理

1.纯燃料电池驱动汽车动力系统（1）纯燃料电池驱动汽车动力传动系统结构。

燃料电池的种类不同和选配的辅助电池组种类不同，构成了动力路线的多样性。纯燃料电池驱动汽车驱动系统一般由燃料箱、燃料电池、电机控制器、电机、信号线路等组成，如图1-26所示。四、燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理图1-26燃料电池单独驱动车型驱动系统结构图

1.纯燃料电池驱动汽车动力系统（1）纯燃料电池驱动汽车动力传动系统结构。

燃料电池单独驱动汽车动力传动系统结构简图如图1-27所示，该系统实为纯燃料电池驱动系统。燃料电池系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线传给驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能再传给传动系统，从而驱动汽车前进。四、燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理图1-27燃料电池单独驱动车型驱动系统结构简图

1.纯燃料电池驱动汽车动力系统（2）纯燃料电池驱动汽车动力传动系统的优点。①系统结构简单，便于实现系统控制和整体布置。②系统部件少，有利于整车的轻量化。③较少的部件使得整体的能量传递效率高，从而提高整车的燃料经济性。四、燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理

1.纯燃料电池驱动汽车动力系统（2）纯燃料电池驱动汽车动力传动系统的优点。

但是，这种系统也对燃料电池提出了较高的要求：①为了减少整车成本，燃料电池必须有较低的价格；②为了提高整车的经济性，燃料电池应在较大的输出范围内有较高的效率；③燃料电池应具有较快的动态响应；④燃料电池应具有较好的冷起动性能。

由于燃料电池无法充电，所以这种结构形式的燃料电池电动汽车无法实现制动能量回收，这将影响系统能量效率的提高。四、燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理

2.燃料电池混合动力驱动汽车动力系统

基于燃料电池单独驱动汽车上述这些不利因素，现在已较多地采用了混合驱动这种结构形式。这种结构形式既以燃料电池系统作为主动力源，又增加了动力蓄电池组或超级电容作为辅助动力源。图1-28所示为混合驱动型燃料电池电动汽车的动力系统结构原理图，从图中可知它主要由燃料电池系统、DC/DC变换器、辅助动力源、驱动电机以及各相应的控制器，再加上机械传动与车辆行驶机构等组成。四、燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理

2.燃料电池混合动力驱动汽车动力系统

四、燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理图1-28混合驱动型燃料电池汽车的动力系统结构原理图

2.燃料电池混合动力驱动汽车动力系统（1）DC/DC变换器。

燃料电池由于制造工艺要求和对其使用安全性的考虑，其输出电压一般比电动汽车动力电源所要求的电压低，且特性较软，即随输出电流的增加，电压下降幅度较大。为了实现燃料电池系统输出电压与电机驱动电压相匹配，中间需要通过DC/DC变换器，即经过DC/DC变换起到升压和稳压的调节作用。它不仅是为了满足驱动电机的需要，也为了使混合动力系统中的工作电压与辅助动力源中的动力电池等工作电压相匹配，并且DC/DC变换器能够对燃料电池的最大输出电流和功率进行控制，起到保护燃料电池系统的目的。四、燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理

2.燃料电池混合动力驱动汽车动力系统（2）辅助动力源。

辅助动力源有三种方式：动力蓄电池、超级电容、动力蓄电池+超级电容，由此所构成的混合动力驱动系统分别被称为“FC+B”“FC+C”或“FC+B+C”三种结构形式。四、燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理单元小结

（1）能源、环境和安全成为21世纪汽车工业发展的三大主题，这也是汽车工业发展中所面临的巨大挑战。（2）《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》所指新能源汽车主要