学习情境4燃料电池汽车电子学材

学习情境四燃料电池汽车
单元一燃料电池汽车基础知识
一、告知
学习目标
理解燃料电池汽车的基本概念，熟悉燃料电池的工作原理；
了解燃料电池的类型；
了解燃料电池汽车的优缺点。

二、引入
引入问题1：什么是燃料电池汽车？
引入问题2：燃料电池汽车的优点？缺点？
引入问题3：燃料电池的基本原理？
引入问题4：燃料电池的类型？
引入问题5：燃料电池的工作原理？
三、操练
分组观察燃料电池、蓄电池、干电池，讨论不同类型电池的区别。

四、深化
深化讲解问题1：什么是燃料电池汽车？
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的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，燃料电池电动汽车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。

深化讲解问题2：燃料电池汽车有哪些优缺点？
与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：
1）燃料电池的能量转换效率极高。

2）零排放或近似零排放。

3）车辆性能接近内燃机汽车。

4）结构简单、运行平稳。

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。

如限制其发展的主要因素有：
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。

燃料电池的燃料的生产、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。

深化讲解问题3：燃料电池的基本原理？
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，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。

燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。

二个电极被一个位于它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。

在电极上，催化剂，常用来加速电化学反应。

深化讲解问题4：燃料电池有哪些类型？
根据不同分类形式，燃料电池可分为多种：
1 按电解质类型分类
常分为：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane，PEMFC）以及甲醇燃料电池等。

2 按燃料电池发展分类
把磷酸燃料电池称为第一代燃料电池，把熔融碳酸盐燃料电池称为第二代燃料电池，把固体氧化物燃料电池称为第三代燃料电池。

这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。

3 按燃料电池工作温度分类
把碱性燃料电池、固体高分子型质子膜燃料电池和磷酸型燃料电池称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池和固体氧化型燃料电池称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。

深化讲解问题5：各种燃料电池工作原理
1 质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为：①电催化剂；②电极（阴极与阳极）；③质子交换膜；④双极板。

基本构成为：电池本体、辅助系统（包括燃料及氧化剂的循环回路，湿度、温度及压力的监控，产物水的输出及热交换装置等）和燃料及氧化剂的储存（或制造）系统。

在实际应用中，还有电池的安全系统和功率调节系统。

2 碱性燃料电池
碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，其结构基本与质子交换膜燃料电池相似，但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。

碱性燃料电池的工作温度大约。

因此起动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得笨拙。

不过，它们是燃料电池中生产成本最低的，因此可用于小型的固定发电装置。

3 磷酸燃料电池
磷酸燃料电池采用的是100%磷酸电解质，其常温下是固体，相变温度是42℃。

氢气燃料被加入到阳极，在催化剂作用下被氧化成为质子。

氢质子和水结合成水合质子，同时释放出两个自由电子。

电子向阴极运动，而水合质子通过磷酸电解质向阴极移动，如下图所示。

因此，在阴极上，电子、水合质子和氧气在催化剂的作用下生成水分子。

磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。

优点是构造简单，稳定，电解质挥发度低等。

磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力。

4 熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大，这种电池使用“溶化的锂钾碳酸盐”或者“溶化的锂钠碳酸盐”作为电解质。

当温度加热到650℃时，这种盐就会溶化，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。

电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程中发电。

这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。

且白金催化剂可用廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热电厂利用。

这种燃料电池的效率最高可达60%。

5 固态氧化物燃料电池
固态氧化物燃料电池工作温度比溶化的碳酸盐燃料电池的温度还要高，其工作温度位于之间。

在这种燃料电池中，当氧阳离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳的混合物）时便产生能量。

阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。

固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。

由于它们使用固态的电解质，这种电池比溶化的碳酸盐燃料电池更稳定。

固态氧化物燃料电池的效率约为60%左右，具有为车辆提供备用动力的潜力。

6 甲醇燃料电池
甲醇作为替代氢的燃料，被应用于燃料电池中。

原因在于：甲醇是一种液态燃料，易于存储、分配与运输；甲醇也是最单一的有机燃料，可以从丰富的矿物燃料中获取，可实现大规模生产。

相比其它燃料电池，甲醇燃料电池技术相对不够成熟，就当前的技术而言，甲醇燃料电池功率密度较低、功率响应慢，且效率也较低，距离大规模应用还有一段距离。

根据燃料电池的发展，质子交换膜燃料电池被认为最适合作为电动汽车采用的燃料电池。

五、归纳
1.燃料电池汽车的概念？
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。

2. 燃料电池汽车的优缺点？
优点：能量转换效率高；零排放；结构简单、运行平稳；
缺点：生产成本高；配套不足；需配备辅助电池系统。

3. 燃料电池的基本原理？
燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。

4. 燃料电池的类型？
碱性燃料电池、酸性燃料电池、低温燃料电池、高温燃料电池
六、训练
分组观察燃料电池、蓄电池、干电池，进一步明确不同类型电池的优缺点。

七、总结
燃料电池汽车的概念、优缺点、基本原理、类型。

单元二燃料电池汽车的结构与工作原理
一、告知
学习目标
了解燃料电池汽车的结构类型；
了解燃料电池汽车的工作原理及总体结构；
理解燃料电池系统的功能组成；
了解燃料电池汽车的关键技术；
了解本田FCX Clarity的结构。

二、引入
引入问题1：燃料电池汽车的结构类型？
引入问题2：燃料电池汽车的工作原理与总体结构？
引入问题3：燃料电池汽车的主要组成？
引入问题4：燃料电池汽车需解决的关键技术？
引入问题5：本田FCX Clarity的结构？
三、操练
分组观察燃料电池汽车，讨论其结构及可能的工作过程。

四、深化
深化讲解问题1：燃料电池汽车有哪些结构类型？
燃料电池汽车的结构多种多样，通常按动力源的组成进行分类。

燃料电池汽车的动力源通常包括燃料电池系统（Fuel Cell）、蓄电池（Battery）、超级电容（Capacitor）。

①燃料电池驱动（Pure Fuel Cell，PFC）的燃料电池电动汽
车；
纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。

但由于燃料电池无法实现充电，因此无法实现电动汽车的制动能量回收。

②燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV；
在该动力系统结构中，燃料电池和蓄电池一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，从而驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池将储存回馈的能量。

③燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV；
这种结构形式与燃料电池+蓄电池结构相似，只是把蓄电池换成超级电容。

相对于蓄电池，超级电容充放电效率高，能量损失小，比蓄电池功率密度大，在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长，但是超级电容的能量密度较小。

④燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV
燃料电池、蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。

深化讲解问题2：燃料电池汽车的工作原理与总体结构典型燃料电池汽车通常包括燃料电池系统、电机、蓄电池（超级电容）等功能部件组成。

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，燃料电池电动汽车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。

深化讲解问题3：燃料电池汽车的主要功能总成有哪些？
1 燃料电池发动机系统
1）氢燃料电池发动机
（1）氢气供应、管理和回收系统
（2）氧气供应和管理系统
（3）水循环系统
（4）电力管理系统
2）甲醇燃料电池发动机
（1）甲醇储存装置
（2）燃烧器、加热器和蒸发器
（3）重整器
（4）氢气净化器
3） DC/DC变换器
DC/DC变换器的基本功能：
（1）当输入直流电压在一定范围内变化时，能输出负载要求的变化范围的直流电压。

（2）输出负载要求的直流电流（范围）：能够输出足够的直流负载电流，并且能够允许在足够宽的负载变化范围的情况下设备能正常运行。

（3）变换器是能量传递部件，因此需要转换效率高，以便提高能源的利用率；
（4）为了降低对燃料电池的输出电压要求，变换器应具有升压功能；
（5）由于燃料电池输出的不稳定，需要变换器闭环运行进行稳压，为了给驱动器稳定的输入，需要变换器有较好的动态调节能力。

4）驱动电机
DC/DC变换器的基本功能：
（1）直流电机驱动系统采用换向器和电刷，保证了励磁磁动势与电枢磁动势的严格正交，易于控制。

但直流电机结构复杂，其高速性能和可靠性受换向器和电刷的影响较大。

（2）交流电机坚固耐用、结构简单、技术成熟、免维护、成本低，尤其适合恶劣的工作环境。

其缺点在于损耗大、效率低、功率因数低，进而导致控制器容量增加，成本上升。

2 辅助动力源
在FCEV上燃料电池发动机是主要电源，另外还配备有辅助动力源。

根据FCEV的设计方案不同，其所采用的辅助动力源也有所不同，可以用蓄电池组、飞轮储能器或超大容量电容器等共同组成双电源系统。

在具有双电源系统的FCEV上，驱动电动机的电源可以出现以下驱动模式。

1）在FCEV起动时，由辅助动力源提供电能带动燃料电池发动机起动，或带动车辆起步。

2）车辆行驶时，由燃料电池发动机提供驱动所需全部电能，剩余的电能储存到辅助动力源装置中。

3）在加速和爬坡时，若燃料电池发动机提供的电能还不足以满足FCEV驱动功率要求，则由辅助动力源提供额外的电能，使驱
动电动机的功率或转矩达到最大，形成燃料电池发动机与辅助动力源同时供电的双电源的供电模式。

4）贮存制动时反馈的电能，以及向车辆的各种电子、电器设备提供所需要的电能。

3 电控系统
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，如右图所示。

1）发动机管理系统
2）蓄电池管理系统
3）动力控制系统
4）整车控制系统
深化讲解问题4：燃料电池汽车需要解决哪些关键技术？
1 氢燃料的制取、储存和运输
2 燃料电池汽车整车布置
燃料电池汽车在整车布置上存在以下关键问题：
1）燃料电池发动机及电机的相关布置；
2）动力电池组的车身布置、氢气瓶的安全布置；
3）高压电安全系统的车身布置问题。

这些核心部件的布置，不仅要考虑布置方案的优化及零部件性能实现的便利，还要求相关方案必须考虑传统汽车不具备的安全性问题。

燃料电池发动机自身的运行温度为左右，实际的散热系统工作温度大致可以控制在，必须依赖整车动力系统提供额外的冷却动力为系统散热。

深化讲解问题5：本田FCX Clarity介绍
2007年，本田（Honda）发布了其旗下的首款市场化的氢氧燃料电池汽车——Honda FCX Clarity，它是一款真正体现了绿色、节能与环保的汽车。

FCX Clarity采用氢气作为车辆燃料电池（质子交换膜燃料电池，PEMFC）的能源， Honda FCX Clarity可以通过加氢站向车辆添加燃料。

Honda FCX Clarity动力系统结构主要由动力控制单元（Power Control Unit），燃料储气罐（Hydrogen Storage Tank），驱动电机（Electric Motor），燃料电池堆（Fuel Cell Stack ），高功率的锂离子电池（High-Output Battery）等五部分组成。

Honda FCX Clarity采用了Honda新开发的新一代的小型轻量化燃料电池堆“V Flow FC Stack”，这种燃料电池采用金属冲压隔片构造。

由于采用了新开发的芳香型电解质膜，大大提高了电池系统的可靠性与耐用度。

新型燃料电池堆的最高功率提升至，与上一代燃料电池堆相比，体积功率密度提高，重量功率密度提高。

低温起动性能的提升使得燃料电池可以在的环境下正常工作。

高性能锂离子电池
Honda FCX Clarity采用了一块高性能的聚合物锂离子电池作为汽车的辅助能源，采用了可插电的设计，可以允许在车辆不用时通过普通的家用电源对锂离子电池进行充电。

Honda FCX Clarity允许车辆在低速时只依靠锂离子电池行驶，并且，可以通过刹车能量回收系统（可以将刹车时损失的部分动能转变成为电能）为锂离子电池进行再充电。

同时，锂离子电池还可以为车辆的车辆电子系统提供电力。

由于燃料使用的不同，Honda FCX Clarity设计了专属的仪器仪表。

主要包括功率指示器、氢气量及剩余使用范围、氢气指示球，及人性化的功能界面。

五、归纳
1.燃料电池汽车的结构类型？
纯燃料电池驱动（PFC）;燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）;燃料电池与超极电容联合驱动（ FC+BC）。

2. 燃料电池的工作原理与总体结构？
3.燃料电池的主要组成？
发动机系统、辅助动力源、电控系统。

4. 燃料电池汽车需要解决的关键技术？
氢的制取、储存和运输；汽车的整车布置。

六、训练
分组观察燃料电池汽车，明确各部件及工作过程。

七、总结
燃料电池汽车的工作原理、结构组成。