新能源汽车电子教案 第五章 燃料电池电动汽车

第五章燃料电池电动汽车

学习目标

1.掌握燃料电池的类型及特点，并了解其工作原理。

2.掌握燃料电池电动汽车的类型及结构。

3.了解燃料电池电动汽车的产业发展状况。

4.了解燃料电池电动汽车的典型车型。

第一节燃料电池电动汽车的类型与基本结构

一、燃料电池类型及其性能分析

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置、燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。

1．质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极（阳极、阴极）、质子交换膜和集流板组成。

2．碱性燃料电池

碱性燃料电池的电解质为碱性的氢氧化钾（KOH），故称为碱性燃料电池。

3．磷酸燃料电池

磷酸燃料电池是以磷酸为电解质，故称为磷酸燃料电池。

4．熔融碳酸盐燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）通常采用含锂和钾的碳酸盐为电解质，阴极为镍的氧化物，阳极为镍合金，正常工作温度为650oC。

5．固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池的电解质是固体氧化物，催化剂和电池的结构材料，也都是固体氧化物。故称为固体氧化物燃料电池。

二、燃料电池电动汽车的类型与其结构

燃料电池汽车定义：燃料电池电动汽车（FCEV）是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下在燃料电池中经电化学反应产生的电能，并作为主要动力源驱动的汽车。

1．燃料电池单独驱动FCEV

该结构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。

图5-6纯燃料电池驱动的FCEV

2．燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV

该结构为一典型的串联式混合动力结构。

图5-7燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV

3．燃料电池与超级电容联合驱动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。

图5-8燃料电池与超级电容联合驱动

4．燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动的FCEV 燃料电池与蓄电池和超级电容联合驱动的电动汽车的动力系统结构也为串联式混合动力结构。

图5-9燃料电池+蓄电池+超级电容形式动力系统结构图

三、燃料电池电动汽车的关键技术

1．燃料电池系统

燃料电池是燃料电池汽车发展的最关键技术之一。燃料电池技术发展趋势可用耐久性、低温启动温度、净输出比功率以及制造成本四个要素来评判。

2．车载储氢系统

储氢技术是氢能利用走向规模化应用的关键。

3．车载蓄电系统

车载蓄电系统包括铅酸电池、镍氢蓄电池、锂离子电池等蓄电池及电化学超级电容器。

4．电机及其控制技术

驱动电机是燃料电池电动汽车的心脏，它正向着大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。

5．整车布置

燃料电池汽车在整车布置上存在以下关键问题：

●燃料电池发动机及电机的相关布置

●动力电池组的车身布置、氢气瓶的安全布置

●高压电安全系统的车身布置问题。

6．能源动力系统的能量管理策略

能量管理策略对燃料经济性影响很大，且受到动力系统参数和行驶工况的双重影响。

按照是否考虑这些变量的历史状态，可以把功率分配策略分为瞬时与非瞬时策略两大类。

四、燃料电池汽车的优势及其问题

1.燃料电池汽车的独特优势

1）清洁无污染。

2）燃料补充方便，快捷，续航力远超普通纯电动汽车。

3）效能高。

4）动力性能优异。

2.燃料电池汽车的存在的问题

一是性能与成本的问题；二是燃料供应与基础设施问题。

第二节燃料电池汽车的产业发展状况

一、国际燃料电池汽车产业状况

1．美国燃料电池汽车产业状况

美国是新能源交通领域的领先发展者，从20世纪70年代制定《空气清洁法案》开始关注汽车燃油的清洁性，在2002年开始关注氢燃料电池汽车，发布《自由汽车计划》。2．日本燃料电池汽车产业状况

日本自1974年开始实施《新能源开发计划（阳光计划）》以来，就已经将燃料电池技术定为国家战略。自20世纪90年代之后，日本的燃料电池技术高度发达2006年，日本制定了燃料电池汽车发展计划，明确了燃料电池汽车商业化发展阶段和目标，确定2015年开始燃料电池汽车商业化运行。3．欧盟燃料电池汽车产业状况

欧盟于2003年成立了“氢能与燃料电池技术平台”（HFP）。基于此平台近6年所取得的成就和达成的共识，2008年，欧洲委员会、欧洲工业团体和欧洲科研团体组成“燃料电池与氢能联合执行体”，共同实施“燃料电池与氨能技术联合行动计划”

二、国内燃料电池汽车产业状况及存在的问题

我国燃料电池汽车产业相对于其他新能源汽车，与发达国家的差距相对较小，但是技术、巿场、组织等维度都存在一定的滞后性，目前停留在”实验室”技术，因此，要赶超先进，必须加大政策扶持力度，制定燃料电池汽车产业政策体系。

第三节燃料电池汽车的发展历史及现状

一、燃料电池的发展历史

1839年格罗夫（WillianGrove）发明了第一个燃料电池，是把封有铂电极的玻璃管浸在稀硫酸中，先由电解产生氢和氧，接着连接外部负载，这样氢和氧就发生电池反应，产生电流。

1896年，W.W.Jacques描绘了直接用当时的主要燃料——煤作燃料的燃料电池（DCFD）。

1902年J.H.Reid和1904年P.G.L.Noel首先开始研究碱质型燃料电池（AFC），采用碱性KOH溶液作为电解质。二、燃料电池电动汽车的国外发展现状

目前世界各国政府及各大汽车厂商都纷纷进行燃料电池汽车的研发，其中影响最大的两个的开发项目：一个是由美国能源部组织的国家燃料电池汽车研究计划；第二个是以巴拉德动力系统公司的技术为依托，由戴姆勒克莱斯勒公