1、第 四 章 燃料電池電動(dòng)汽車現(xiàn)代電動(dòng)汽車技術(shù).主要內(nèi)容概述燃料電池系統(tǒng)的組成和任務(wù)原理燃料電池電動(dòng)汽車的系統(tǒng)組成和任務(wù)原理燃料電池汽車的關(guān)鍵問題典型的燃料電池車構(gòu)造.1、概述1.1 概念 燃料電池汽車是電動(dòng)汽車的一種，其電池的能量是經(jīng)過氫氣和氧氣的化學(xué)作用，而不是經(jīng)過熄滅，直接變成電能獲得。 甲醇、天然氣和汽油也可以替代氫從這些物質(zhì)里間接地提取氫，不過將會(huì)產(chǎn)生極度少的二氧化碳和氮氧化物。.1.2 燃料電池電動(dòng)汽車的特點(diǎn)優(yōu)勢：1任務(wù)效率高 以氫氣為燃料的FCV效率可到達(dá)50%70%左右，甲醇重整產(chǎn)生氫氣的FCV效率可達(dá)30%左右，內(nèi)燃機(jī)汽車的效率為11%左右。2節(jié)能、環(huán)保3構(gòu)造簡單和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)面臨

2、問題：1造價(jià)高 2氫氣的儲(chǔ)存、制備和運(yùn)輸3加氫站等根底設(shè)備建立.1.3 燃料電池汽車開展現(xiàn)狀在眾多的新能源汽車中，燃料電池汽車因其具有零排放、效率高、燃料來源多元化、能源可再生等優(yōu)勢而被以為是未來汽車工業(yè)可繼續(xù)開展重要方向，是處理全球能源問題和氣候變化的理想方案。國際燃料電池汽車現(xiàn)已進(jìn)入技術(shù)與市場示范階段。我國燃料電池汽車面臨著開展后勁缺乏，技術(shù)創(chuàng)新突破難、產(chǎn)業(yè)化根底薄弱、專業(yè)人才缺乏等難題，嚴(yán)重妨礙了我國燃料電池汽車技術(shù)提高。.1.3.1 國外燃料電池汽車開展現(xiàn)狀2021年，歐盟同意燃料電池和氫能技術(shù)工程行動(dòng)方案，方案拿出4.7億歐元繼續(xù)資助燃料電池汽車及根底設(shè)備技術(shù)研發(fā)。德國政府高度注重燃

3、料電池汽車及氫能研發(fā)，擬與企業(yè)結(jié)合資助14億歐元用于燃料電池汽車、氫能等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。日本政府在過去30年時(shí)間內(nèi)先后投入上千億日元用于燃料電池汽車和氫能的根底科學(xué)研討、技術(shù)攻關(guān)和示范推行。2021年1月，包括豐田、本田、尼桑等在內(nèi)的日本13家汽車和能源企業(yè)共同決議在東京、大阪、名古屋和福岡四大都市圈的市區(qū)和高速公路上建立100座加氫站，并經(jīng)過完善設(shè)計(jì)、改善消費(fèi)技術(shù)等方法大幅降低燃料電池汽車消費(fèi)本錢，培育燃料電池汽車市場。.美國政府對(duì)燃料電池汽車支持在布什任職期間到達(dá)頂峰，在奧巴馬政府期間，美國能源部宣布從美國振興方案中撥款4190萬美圓支持燃料電池特種車的研發(fā)和示范，另在2021年美國財(cái)政預(yù)算

4、中安排5000萬美圓用于燃料電池和氫能技術(shù)研發(fā)。加拿大、韓國、澳大利亞、巴西、法國和英國等國家政府積極支持燃料電池汽車和氫能研發(fā)。2021年，戴姆勒、福特、通用、豐田、本田和現(xiàn)代汽車6個(gè)世界主要汽車公司簽署備忘錄，繼續(xù)開展燃料電池汽車研發(fā)，方案于2021大力推行燃料電池汽車，并快速構(gòu)成幾十萬輛燃料電池汽車保有量。.經(jīng)過長時(shí)間、繼續(xù)穩(wěn)步的支持，國外燃料電池汽車產(chǎn)品的可靠性、環(huán)境順應(yīng)性(如低溫啟動(dòng)性能)獲得了艱苦突破，示范運(yùn)轉(zhuǎn)不斷深化，并陸續(xù)推出用于租賃商業(yè)化示范的先進(jìn)燃料電池汽車，燃料電池汽車進(jìn)入技術(shù)與市場示范階段。產(chǎn)品本錢控制與配套根底設(shè)備建立成為制約燃料電池汽車商業(yè)化推行主要要素。.在國家“

5、十五“863方案電動(dòng)汽車關(guān)鍵技術(shù)艱苦科技專項(xiàng)和“十一五節(jié)能與新能源汽車艱苦工程支持下，我國燃料電池汽車技術(shù)研發(fā)獲得重要進(jìn)展，根本掌握了整車、動(dòng)力系統(tǒng)與關(guān)鍵零部件的中心技術(shù)；建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)；構(gòu)成了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電池、DC/DC變換器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、儲(chǔ)氫與供氫系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件配套研發(fā)體系，具有百量級(jí)燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)與整車消費(fèi)才干。1.3.2 國內(nèi)燃料電池汽車開展現(xiàn)狀.研制的“超越系列、“上海牌、“帕薩特、“奔騰、“志翔等燃料電池汽車經(jīng)受住了大規(guī)模、高溫、大強(qiáng)度示范考核，成效果勞于2021北京奧運(yùn)會(huì)和2021年上海世博會(huì)。.1.3.3 國內(nèi)外技術(shù)形狀對(duì)

6、比分析1、燃料電池汽車車型開發(fā)平臺(tái)國外曾經(jīng)由基于傳統(tǒng)車輛平臺(tái)改造構(gòu)成燃料電池車方式走向?yàn)槿剂想姵仄嚧蛟烊抡嚻脚_(tái)階段，如本田汽車公司Clarity，豐田汽車公司FCHV，戴姆勒飛馳公司F-Cell和通用公司Chevrolet Equinox。在國內(nèi)，以上汽股份、上海群眾、一汽、長安、奇瑞等公司為代表開發(fā)的燃料電池轎車均基于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛進(jìn)展改制，尚未掌握燃料電池汽車公用車身開發(fā)、底盤開發(fā)、底盤動(dòng)力學(xué)自動(dòng)控制等關(guān)鍵技術(shù)，與國外存在較大差距。燃料電池整車集成技術(shù).燃料電池整車集成技術(shù).2、車輛動(dòng)力性能 主要受限于燃料電池功率輸出程度和整車集成及輕量化技術(shù)程度，我國燃料電池汽車整車加速性能明顯低

7、于世界主流燃料電池汽車加速性能。3、車輛續(xù)駛里程 到目前為止，我國根本掌握了35MPa高壓儲(chǔ)氫和加注系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高壓氫氣瓶等部件國產(chǎn)化開發(fā)，但某些關(guān)鍵閥門、傳感器還依賴進(jìn)口，70MPa氫氣存儲(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵部件依然處在研發(fā)階段，其直接制約了我國燃料電池汽車?yán)m(xù)駛里程提高。4、整車燃油經(jīng)濟(jì)性程度、車外噪聲程度 我國燃料電池汽車與國外同類型汽車處于同一程度甚至領(lǐng)先位置。燃料電池整車集成技術(shù).1、集成度我國轎車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率等級(jí)、功率密度等性能參數(shù)明顯低于國外同類型燃料電池汽車用燃料電池技術(shù)性能。2、環(huán)境順應(yīng)性 低溫冷啟動(dòng)性能3、可靠性及壽命4、本錢控制關(guān)鍵技術(shù)研討 國外一方面研討低鉑

8、燃料電池技術(shù)，減少催化劑用量，另一方面研討催化劑抗毒性，降低其運(yùn)轉(zhuǎn)本錢，同時(shí)還開發(fā)非鉑催化劑來替代貴重金屬Pt。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)燃料電池堆質(zhì)量功率密度體積功率密度國外1600W/kg2700W/L國內(nèi)700W/kg1000W/L. 目前國外主流燃料電池汽車車型均采用70MPa的氫氣存儲(chǔ)和供應(yīng)系統(tǒng)； 國內(nèi)燃料電池汽車的高壓氫氣存儲(chǔ)系統(tǒng)壓力依然維持在35MPa程度，這一定程度上影響了我國燃料電池汽車整車?yán)m(xù)駛里程才干。 國內(nèi)35MPa的氫氣存儲(chǔ)和供應(yīng)系統(tǒng)中的傳感器、閥門等零件還依賴進(jìn)口，直接導(dǎo)致氫氣存儲(chǔ)與供應(yīng)系統(tǒng)本錢過高。高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)技術(shù).燃料電池大客車1.4 燃料電池車?yán)?.Fuel Cell

9、 Bus of Daimler-Chrysler.外形尺寸 (mm):11,0702,4903,420 滿載總質(zhì)量 (kg)：15,000載客數(shù)人：50最高車速 (km/h)：70最大爬坡度：15%加速性能 (050km/h)：30s續(xù)駛里程 (km)： 200 (40km/h勻速，儲(chǔ)氫瓶壓力15MPa)燃料電池城市客車設(shè)計(jì)參數(shù).Chinese National FCB Demonstration 超越8000km 的道路行駛實(shí)驗(yàn)2004年5月27日在天安門廣場展現(xiàn).整車外型與顏色設(shè)計(jì).整車性能目的性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果最高車速（km/h)86.4最大爬坡度（）18050km/h加速時(shí)間(s)30.

10、90一次加氫(40km/h勻速)續(xù)駛里程(km)568.7(按35MPa計(jì)算）氫消耗量（kg/100km)4.848等效油耗（汽油L/100km)18.3加速車外噪聲（dB(A)）76.3.汽車爬坡實(shí)驗(yàn).Performances Motor power：24kW (60 kW)FCE power： 30 kWBattery ： 50AHMax speed： 110 km/hGrade ability ： 20Acceleration：15.9sRange ： 220 kmEfficient： 0.98 kg/100km.2、燃料電池系統(tǒng)的組成和任務(wù)原理2.1 燃料電池引見 燃料電池Fuel C

11、ell是一種把燃料氧化的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的“發(fā)電安裝，是電化學(xué)反響的發(fā)生器。按電解質(zhì)類型不同，燃料電池可分為：質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池.2.2 燃料電池的任務(wù)原理組成：膜電極陽極、陰極、質(zhì)子交換膜和集流板.反響過程：1氫氣經(jīng)過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陽極。2在陽極催化劑的作用下，一個(gè)氫分子分解為兩個(gè)質(zhì)子，并釋放出兩個(gè)電子，陽極反響為 3在電池的另一端，氧氣經(jīng)過管道或?qū)獍宓竭_(dá)陰極，同時(shí)，氫離子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極，電子經(jīng)過外電路也到達(dá)陰極。電子在外電路的銜接下構(gòu)成電流。4在陰極催化劑的作用下，氧和氫離子與電子發(fā)生反響生成

12、水，陰極反響為電池總反響： .2.3 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)的燃料電池堆是不能發(fā)電并運(yùn)用于汽車的，它必需和燃料供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供應(yīng)系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)和一個(gè)能與上述各系統(tǒng)協(xié)調(diào)任務(wù)的控制系統(tǒng)組成為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，才干對(duì)外輸出功率。分類：增壓式常壓式.燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的主要研討熱點(diǎn)包活：1運(yùn)用輕質(zhì)燃料，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高燃料電池系統(tǒng)的比功率；2提高質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的快速冷啟動(dòng)才干和動(dòng)態(tài)反響性能；3研討具有負(fù)荷跟隨才干的燃料處置器，提高系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。.車載燃料電池系統(tǒng)必需滿足以下幾點(diǎn)要求：1能保證在常溫下任務(wù)，并且電化學(xué)性能不變；2為滿足汽車功率需求，能提供較高的電流密度；3具有良好的免

13、維護(hù)性能；4耐振性和耐沖性能好；5可以從低負(fù)荷到高負(fù)荷進(jìn)展高效率運(yùn)轉(zhuǎn)；6可以放置在冰點(diǎn)以下環(huán)境中。.按燃料的供應(yīng)方式不同，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)分為直接和間接供氫型。直接供氫就是直接用氫作燃料，沒有中間重整過程。間接供氫是經(jīng)過重整安裝先將氫從其他方式的燃料中分別出來。車載純氫儲(chǔ)存方法主要分為：高壓氫氣儲(chǔ)存、液態(tài)氫儲(chǔ)存、金屬儲(chǔ)氫、活性炭吸附儲(chǔ)氫和碳納米資料儲(chǔ)氫。車載制氫需求內(nèi)部高溫的燃料處置器，經(jīng)過重整或部分氧化等方式由燃料中獲得氫。醇類：甲醇、乙醇、二甲醚等；烴類：柴油、汽油、甲烷等。.3、燃料電池電動(dòng)汽車的系統(tǒng)組成和任務(wù)原理燃料電池電動(dòng)汽車是以燃料電池系統(tǒng)作為動(dòng)力源或主要?jiǎng)恿υ吹能囕v。按照驅(qū)動(dòng)方式

14、：分為純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)和混合驅(qū)動(dòng)。按照燃料電池系統(tǒng)的能量來源：分為車載純氫和燃料重整。.3.1 燃料電池單獨(dú)驅(qū)動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：1系統(tǒng)構(gòu)造簡單，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制；2系統(tǒng)部件少，有利于整車的輕量化；3較少的部件使得整體的能量傳送效率高，從而提高整車的燃料經(jīng)濟(jì)性。缺陷：1燃料電池的功率大，本錢高；2對(duì)燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和可靠性提出了很高的要求；3不能進(jìn)展制動(dòng)能量回收。.3.2 燃料電池混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)組成：燃料電池系統(tǒng)、DC/DC轉(zhuǎn)換器、輔助動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及各相應(yīng)的控制器，機(jī)械傳動(dòng)與車輛各行駛機(jī)構(gòu)等。FC+BFC+CFC+B+C.FC+B型燃料電池電動(dòng)汽車的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1降低對(duì)燃料

15、電池的功率要求；2燃料電池可在比較好的設(shè)定的任務(wù)條件下任務(wù)，任務(wù)時(shí)效率較高；3系統(tǒng)對(duì)燃料電池的動(dòng)態(tài)呼應(yīng)性能要求較低；4汽車的冷起動(dòng)性能好；5實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回饋。缺陷：1動(dòng)力電池使整車質(zhì)量添加，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性遭到影響；2動(dòng)力電池充放電過程會(huì)有能量損耗；3系統(tǒng)變得復(fù)雜，系統(tǒng)控制和整體布置難度添加。.采用FC+B的雙動(dòng)力源構(gòu)造的主要緣由：1當(dāng)前燃料電池的動(dòng)態(tài)性能欠佳，而汽車的而任務(wù)形狀總是在較大的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化，燃料電池不能隨時(shí)滿足汽車的功率需求，添加輔助電池可以起到快速調(diào)理功率的作用。2燃料電池最正確負(fù)荷率在額定功率20%40%的范圍內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)整車能量效率最正確，添加輔助電池調(diào)理燃料電池的功率輸

16、出，可使其任務(wù)點(diǎn)盡量堅(jiān)持在效率最正確的范圍內(nèi)。3目前燃料電池的本錢還很高，從降低整車價(jià)錢的方面來思索，適當(dāng)減小燃料電池的額定功率，用輔助電池來彌補(bǔ)缺乏的功率輸出，可以在一定程度上降低整車本錢。.FC+C型燃料電池電動(dòng)汽車優(yōu)點(diǎn)：壽命長和效率高，可以大大降低運(yùn)用本錢，有利于燃料電池汽車的商業(yè)化推行。.FC+B+C型燃料電池電動(dòng)汽車優(yōu)點(diǎn)：燃料電池能量輸出較為平緩，隨時(shí)間變化動(dòng)搖較小，能量需求變化的低頻部分由動(dòng)力電池承當(dāng)，能量需求變化的高頻部分由超級(jí)電容承當(dāng)。缺陷：添加超級(jí)電容，整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量將能夠添加；系統(tǒng)更加復(fù)雜化，系統(tǒng)控制和整體布置的難度也隨之增大。.燃料電池汽車不同動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造特性比較動(dòng)力

17、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)FC單獨(dú)驅(qū)動(dòng)FC+B能量混合型FC+B+C功率混合型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)最簡單無法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜動(dòng)力電池質(zhì)量、體積較大結(jié)構(gòu)復(fù)雜動(dòng)力電池質(zhì)量、體積較小燃料經(jīng)濟(jì)性最差較優(yōu)最優(yōu)燃料電池壽命與安全性當(dāng)汽車功率需求較大時(shí)，燃料電池易發(fā)生過載，難以滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求，系統(tǒng)壽命較短當(dāng)汽車功率需求較大時(shí)，燃料電池發(fā)生過載概率小，系統(tǒng)壽命長汽車功率需求較大時(shí)，燃料電池可控制在最高效率點(diǎn)恒功率輸出，不易發(fā)生過載，系統(tǒng)壽命長.3.3 整體構(gòu)造與設(shè)計(jì).混合動(dòng)力燃料電池大客車原理.系統(tǒng)構(gòu)型上海神力燃料電池130kW雙向DCDC放電：50kW充電：20kW鎳氫或鋰離子電池80100Ah200250V驅(qū)動(dòng)電機(jī)額

18、定100kW最大180kW目的樣車.豐田燃料電池車市客車FCHV .戴姆勒-克萊斯勒燃料電池城市客車 .4、燃料電池車的關(guān)鍵問題4.1 經(jīng)濟(jì)性節(jié)省耗氫，匹配優(yōu)化4.2 平安性技術(shù)難點(diǎn)：耗氫估計(jì).氫平安電平安構(gòu)造平安高電壓大電流人體觸電防護(hù)電磁波對(duì)周邊影響氫走漏滯留氫易燃易爆性氫脆性高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)的碰撞維護(hù)高壓電系統(tǒng)的碰撞維護(hù)輕量化帶來的構(gòu)造強(qiáng)度問題.照片 1 時(shí)間: 0分, 0 秒 氫燃料車輛在左邊，汽油車輛在右邊 .照片 2 時(shí)間: 0分, 3 秒 兩種燃料點(diǎn)火，氫流量2100SCFM，汽油流量680CC/min.照片 3 時(shí)間: 1分, 0 秒，氫流量減退，汽油車火焰擴(kuò)展.照片4 時(shí)間: 1

19、分, 30 秒，.照片 5 時(shí)間: 2 分, 20 秒 內(nèi)部爆燃 .照片 6 時(shí)間: 2 分, 40 秒 駕駛座側(cè)后輪胎爆裂.照片 7 時(shí)間: 2 分, 40 秒 駕駛座側(cè)后輪胎爆裂的殘片飛到乘客側(cè).抗沖擊測試左邊是高空墜落，右邊是槍擊 .高壓氫氣罐耐高溫測試 抗沖擊測試后進(jìn)展評(píng)價(jià) .4.3 可靠性4.4 供氫 1車載制氫2車載純氫 1高壓氫氣儲(chǔ)存2液態(tài)氫儲(chǔ)存3金屬氫化物儲(chǔ)氫4活性炭吸附貯氫5碳納米資料貯氫.存氫方法高壓氫液 氫金屬儲(chǔ)氫活性炭納米碳管氫氣純度純氫高純氫超純氫超純氫超純氫要 求99%99.999%99.9999%99.9999%99.9999%表2.3 各儲(chǔ)氫方法對(duì)氫氣純度的要求.4.5 控制系統(tǒng) 燃料電池城市客車動(dòng)力系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力蓄電池、DC/DC變換器、能量控制單元、電機(jī)等及其控制系統(tǒng)組成。線傳操控系統(tǒng) .4.6 開展前景 .5、典型的燃料電池車構(gòu)造5.1 通用Autonomy燃料電池概念車以氫為原料，滑板一樣的平坦底盤，車輪、車身加底盤構(gòu)成。.5.2 現(xiàn)代i-Blue燃料電池電動(dòng)概念車氫動(dòng)力、零排放 ?，F(xiàn)代公司設(shè)計(jì)的第一款完全運(yùn)