燃料电池汽车结构组成与工作原理读书报告

燃料电池汽车结构组成与工作原理分析读书报告
班级：车辆工程0705
学号：3070401138
姓名：陆涛
内燃机汽车的发展是现代工业技术最重大的成就之一。

然而，高度发展的汽车工业和持续大量汽车的应用，在全球已经引发了严重的环境和碳氢资源问题：大气质量的恶化、全球变暖以及石油资源的匮乏成为了现代生活必须认真对待的威胁：日益严格的排放和燃料效率的标准促进了安全、清洁和高效车辆的迅猛发展：当今人们公认电动汽车、混合动力电动汽车和由燃料电池供电的各类驱动系的技术应用科学是最有指望在可预见的未来解决车辆问题的办法。

为满足这一需要，在美国和全世界，不断增多的工程学院已在大学生和研究生培养中设立了现代能量和车辆技术
应用科学专业。

以下笔者将对燃料电池汽车的结构组成和工作原理做一个浅显的读书报告。

采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车FCEV（Fuel Cell Electric Vehicle），最早的FCEV是燃料电池大客车FCEV（Fuel Cell Electric Bus）。

早期的FCEV的燃料电池本身和他的附属设备的质量重，体积大，占据
了大客车很大部分的装载空间，几乎没有乘客乘坐的空间，给FCEV的总布置带来很大的困难。

近年来燃料电池不断地向小型化方向发展，使得燃料电池成功地装置到各种类型的车辆上。

1.甲醇储存罐
2.散热器
3.改质器
4.H2、CO分离器
5.循环泵
6.燃料电池组(堆)
7.控制系统
8.蓄电池组
9.DC/DC转换器
早期的FCEV
FCEV是一种地面车辆，仍然保留了车辆的行驶系统、悬挂系统、转向系统
和制动系统等。

FCEV是以电力驱动为惟一的驱动模式，其电气化和自动化的程度大大高于内燃机汽车，早期用内燃机汽车底盘改装的FCEV，在汽车底盘上布置了氢气储存罐或甲醇改质系统，燃料电池发动机系统，电气控制系统和电机驱动系统等总成和装置，在进行总布置时受到一些局限。

新研发的FCEV采用了滑板式底盘，将FCEV的氢气储存罐和供应系统、燃料电池发动机系统、电能转换系统、电机驱动系统、转向系统和制动系统等，统统装在一个滑板式的底盘中，在底盘上部可以布置不同用途的车身和个性化造型的车身。

采用多种现代技术，以计算机控制为核心和电子控制的“线传”系统（Control-by-wire) ，CAN总线系统等，使新型燃料电池电动车辆进入一个全新的时代。

FCEV按主要燃料种类可分为:①以纯氢气为燃料的FCEV；②以甲醇改质后产生的氢气为燃料的FCEV。

1.驱动轮
2.驱动系统
3.驱动电动机
4.逆变器
5.辅助电源
(蓄电池、超级电容器) 6.燃料电池发动机7.空气压缩机和空气加
湿装置8.氢气管理系统9.中央控制器10.DC/DC转换器11.氢气储存罐12.燃烧器和改质器13.甲醇储存罐14. H2净化器
FCEV的基本类型
FCEV按“多电源”的配置不同，可分为:①纯燃料电池FCEV；②燃料电池与蓄电池混合电源的FCEV；③燃料电池与蓄电池和超级电容器混合电源的FCEV。

后2种多电源的配置方式是FCEV的主要配置方式。

辅助电源用于提供起动电流和回收制动反馈的电能。

FCEV采用的主要电源和辅助电源分类
燃料电池的工作原理与普通电池基本相同，也是通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。

所不同的是，传统电池是事先填充好内部物质，化学反应结束后，不能再释放出电能；而燃料电池进行化学反应所需的物质是由外部不断填充的，中途供应燃料，就能源源不断地输出电能和热能。

从燃料电池一侧的正极输入氧或空气，另一侧的负极输入氢和二氧化氮，在正极与负极之间充满电解质。

氢燃料输入进燃料电池的负极，氧(或空气)进入燃料电池的正极，在催化剂的作用下，氢原子分裂成一个电子和一个质子，它们通过不同的路径到达负极，从而产生可利用的电流，同时氢和氧重新结合形成水分子。

其中氢的来源则是由燃料电池系统中的燃料转换装置所提供，该装置将天然气、
甲醇或者汽油等烃类燃料自处理后转换为氢气。

近年来研究开发的差不多都是固体高分子型燃料电池PEFC ，其平均重量
和体积功率密度比其他燃料电池好。

工作温度低，容易操作，很适合汽车尤
燃料储存、
改质器及辅
其小轿车使用。

汽车固体高分子燃料电池大致有使用燃料、
助电源组成。

(1) 使用燃料
PEFC 汽车使用的燃料电池有氢气、甲醇、汽油等。

氢可以直接作燃料。

甲醇和汽油必须改质。

以氢直接作燃料，PEFC系统简单，燃料使用率可达100%，废气排放几乎为零。

甲醇功率密度高搭，载设备轻，一次充填行驶距离可达汽油车水平。

通常，甲醇有改质器改质转变为氢供给PEFC。

现在开始研究在电极表面直接将甲醇转变为氢离子的直接甲醇燃料电池。

以汽油为燃料，改质温度高，同时含在汽油中的硫易使催化剂中毒，系统复杂，技术要求高，难度大，需要解决的问题较多。

因此，目前主要使用的燃料是甲醇和氢气。

⑵燃料储存
氢气在常温下为气体，功率密度小，车载必须高密度化。

氢气的高密度储
吸氢合金3种方法。

高压容器法可以参照天然气汽车中存有高压容器、
液体氢罐、
天然气的储存方法，将氢气液化后储存在绝热容器中，虽能提高其重量密度，但在极低温下液化，需要较多能源。

用吸氢合金方法储存氢气，氢的体积功率密度大，重量密度小，且低压下可以充填，所需动力小，综合能源效率好，适宜于小型汽车使用。

储存上述方法，无论哪种都不能由其一长一短决定，必需有氢气制造输送、
设备及车辆状况通盘考虑，以达到使用最佳化。

至于甲醇储存，可以使用类似汽车油箱即可。

⑶燃料改质
燃料改质是燃料电池的主体，目前主要改质是甲醇。

改质方法有水蒸气、部分氧化及复合型三种。

部分氧化改质由空气供给氧，因氮的存在会使改质器中的氢浓度下降。

复合型改质工艺过程复杂。

水蒸气改质虽要外部供给热量，但是可以利用燃料电池的废气燃烧热。

甲醇水蒸气改质燃料电池系统
(4) 辅助电源
使用辅助电源主要解决燃料电池汽车的起动问题，辅助电源与燃料电池的最佳组合，在燃料电池汽车的高效率运转中起重要作用。

辅助电源除NI-MH、L F离子等二次电池外，还有双层电容器(超电容) 等。

燃料电池组(堆)( Fuel Cell Unit)
热力发动机主要以石油产品作为燃料，热力发动机的能量转换方
式是燃料在气缸中燃烧后，将燃料的化学能转变为热能，然后通过曲
柄- 连杆机构再转换为机械能，在能量转换过程中要遵守卡诺循环规律
来作功，热效率比较低，为12%～15%。

热力发动机还要依靠一套传动机
构来驱动车辆行驶，动能传递过程中有摩擦损耗，而且需要润滑。

燃料
燃烧后所排放的废气会对大气环境造成污染，一般需要采用排气净化处
理的方法来降低污染。

燃料电池(Fuel Cell)是一种把氢在氧化时的化学能直接转换为电能的发电装置，能量的转换不受卡诺循环规律的限制，热效率可达到70%～80% 。

燃料电池在运行过程中，不需要复杂的机械传动装置，不需要润滑剂，没有振动与噪声，燃料电池向驱动电动机提供电源来驱动FCEV行驶。

在FCEV上主要采用的是质子交换膜燃料电池组(堆)PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)。

质子交换膜燃料电池PEMFC又名固体高聚合物电解质燃料电池，PEMFC用可传导质子的聚合膜作为电解质，这种聚合膜具有选择透过H离
子的功能，是PEMFC的关键技术。

PEMFC的能量转换效率理论上可达到80%。

并且具有比功率大、体积小、启动快、能耗少、寿命长、工作温度低等特点，现在各国研发的PEMFC实际能量转换效率已达到50% ～60%体积和质量较小，有利于在电动车辆上布置。

燃料电池是由负极(燃料极)、正极(氧化极)、和正负极之间的电解质共同组成，根据不同种类的燃料电池采用了不同的电解质，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。

在燃料电池负极一侧输入氢气，在燃料电池正极一侧输入空气或氧气，氢气与氧化剂经催化剂的作用，在电化学反应过程中转化为电能和生成水H2O，因此，不会排放氮氧化物NOx 和碳氢化合物HC等对大气环境造成污染的气体。

内燃机是在气缸与活塞之间将燃料的化学能燃烧后的热能转变，使气体膨胀，然后依靠活塞- 曲柄连杆机构，使气体膨胀的直线运动转换为曲轴的旋转运动，来带动汽车行驶。

为了保证内燃机的正常运转，内燃机装有进气系统、排气系统、燃料供给系统、点火系统、冷却系统、润滑系统和起动系统等辅助装置。

PEMFC组是用不同个数的单体PEMFC串联组成，用端板将不同个数单体PEMFC紧密地装配到一起，组成不同规格的PEMFC组。

PEMFC组本身的结构比较简单，没有运动构件，不需要润滑，便于维修。

在FCEV所采用的燃料电池发动机中，为保证PEMFC组的正常工作，除以PEMFC组为核心外，还装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、反应生成物的处理系统、冷却系统和电能转换系统等。

只有这些辅助系统匹配恰当和正常运转，才能保证燃料电池发动机正常运转。

氢气供应、管理和回收系统气态氢的储存装置通常用高压储气瓶来装载，对高压储气瓶的品质要求很高，为保证燃料电池电动汽车一次充气有足够的行驶里程，就需要多个高压储气瓶来储存气态氢气。

一般轿车需要2～4个高压储气瓶，大客车上需要5～10个高压储气瓶。

液态氢气虽然比能量高于气态氢，由于液态氢气是处于高压状态，不但需要用高压储气瓶储存，还要用低温保温装置来保持低温，低温的保温装置是一套复杂的系统。

在使用不同压力的氢气（高压气态氢气和高压低温液态氢气）时，就需要用不同的氢气储存容器，不同的减压阀、调压阀、安全阀、压力表、流量表、热量交换器和传感器等来进行控制。

并对各种管道、阀和仪表等的接头采取严格的防泄漏措施。

从燃料电池中排出的水，含有未发生反应的少量的氢气。

正常情况下，从燃料电池排出的少量的氢气应低于1%以下，应用氢气循环泵将这少量的氢气回收。

氧气供应和管理系统。

氧气的来源有从空气中获取氧气或从氧气罐中获取氧气，空气需要用压缩机来提高压力，以增加燃料电池反应的速度。

在燃料电池系统中，配套压缩机的性能有特定的要求，压缩机质量和体积会增加燃料电池发动机系统的质量、体积和成本，压缩机所消耗的功率会使燃料电池的效率降低。

空气供应系统的各种阀、压力表、流量表等的接头要采取防泄漏措施。

在空气供应系统中还要对空气进行加湿处理，保证空气有一定的湿度。

水循环系统
燃料电池发动机在反应过程中将产生水和热量，在水循环系统中用冷凝器、气水分离器和水泵等对反应生成的水和热量进行处理，其中一部分水可以用于空气的加湿。

另外还需要装置一套冷却系统，以保证燃料电池的正常运作。

电力管理系统
燃料电池所产生的是直流电，需要经过DC/DC变换器进行调压，在采用交流电动机的驱动系统中，还需要用逆变器将直流电转换为三相交流电。

以氢气为燃料的燃料电池发动机的各种外围装置的体积和质量约占燃料电池发动机总体积和质量的1/ 3～1/ 2。

以甲醇为燃料的燃料电池发动机
在以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统中，用甲醇供应系统代替了上述的氢气供应系统。

包括甲醇储存装置、甲醇供应系统的泵、管道、阀门、加热器及控制装置等。

甲醇储存装置
甲醇可以用普通容器储存，不需要加压或冷藏，可以部分利用内燃机
汽车的供应系统，有利于降低FCEV的使用费用。

燃烧器、加热器和蒸发器甲醇进入改质器之前，要用加热器加热甲醇和纯水的混合物，使甲醇和纯水的混合物一起受高温（621℃）热量的作用，蒸发成甲醇和纯水的混合气，然后进入改质器。

改质器
改质器是将甲醇用改质技术转化为氢气的关键设备。

不同的碳氢化合物采用不同的改质技术，在改质过程中的温度、压力会有所不同，例如：甲醇用水蒸气改质法的温度为621 ℃，用部分氧化改质法的温度为985 ℃，用废气改质法的第一阶段温度为985 ℃，第二阶段温度为250 ℃。

在FCEV用甲醇经过改质产生的氢气做燃料时，就需要对各种改质方法进行分析，选择最佳改质技术和最适合FCEV 配套的改质器。

氢气净化器
改质器所产生的H2因为含有少量的CO，因此必须对H2进行净化处理。

净化器中用催化剂来控制，使H2中所含的CO被氧化成二氧化碳CO2后排出，最终进入PEMFC的H2 中的CO 的含量不超过规定的10X10 - 6。

甲醇经过改质后所获得的氢气作为燃料时，燃料电池的效率为40%～42%。

以甲醇为燃料的燃料电池系统中的氧气供应、管理系统，反应生成的水和热量的处理系统和电力管理系统与以氢为燃料的燃料电池系统基本相同。

燃料电池发动机的运作一般采用计算机进行控制，根据FCEV的运行工况，通过CAN总线系统进行信息传递和反馈，并经过计算机的处理，以保证燃料电池正常运行。