课件10 - 燃料电池汽车维修

10.2.5 燃料电池汽车的储氢方式
压缩氢气
• 纯氢可用车载方式在加压状态下储 存在罐内。在几百标准大气压力下 储存气体要求有很高强度的储气罐。 为了使得罐的重量尽可能轻，而其 容积合理，目前应用于汽车的储氢 罐的制造采用了复合材料，如碳纤 维材料。因而，压缩储氢罐的成本 可能会较高。
• 氢气的密度小，需要通过压缩来增 加其储存量。压缩氢气的压力一般 在20～30MPa或更高，因而要求 储氢气瓶能承受高压，且质量轻、 使用寿命长。
10.2.3 驱动电动机
电子控制系统
• 直接燃料电池汽车的电子控制系统包括燃料电池系统控制、DC/DC转换器 控制、辅助储能装置能量管理、电动机驱动控制及整车协调控制等控制功能， 各控制功能模块通过总线连接。
10.2.4 DC/DC变换器
DC／DC变换器的作用是什么？有哪些功能？ • 电动车燃料电池提供的是直流电，电压和电流随输出电流的变化而变化。燃
料电池输出电压一般比电动汽车动力电源所要求的电压要低，且特性较软， 也就是随输出电流的增加，电压下降幅度较大，燃料电池不能够接受外电源 的充电，其电流的方向是单向流动的。
DC/DC 变换器
图 10-30 丰田 Mirai 汽车 DC/DC 变换器的位置
10.2.5 燃料电池汽车的储氢方式
• 将燃料供应给车载燃料电池是其主 要的难题。通常，有两种途径向燃 料电池供应氢：一是在地面供应站 生产氢气，而在车上储存纯氢；另 一是在车上，从易于含氢的承载装 置中生产氢，并直接供给燃料电池。 目前的燃料电池汽车大都以纯氢为 燃料，为使燃料电池汽车能达到所 需的续驶里程，在车上就需要有一 定储量的氢。车载储氢主要有压缩 氢气、低温液氢和金属储氢三种形 式。
10.2.5 燃料电池汽车的储氢方式
车载压缩氢需要考虑哪些重要的问题？
• 车载压缩氢的储存技术仍然是应用 于车辆的非常复杂的问题。
10.2.5 燃料电池汽车的储氢方式
低温液氢
• 在－259.2℃这样的低温下储存液 体，其技术上是困难的。它要求深 度绝热，以力求将从周围空气到低 温液体的热传递减至最小，从而防 止其沸腾。通常的方法是构造一个 高度绝热的储罐，且使之坚固地足 以承受因液氢气化所产生的相当的 压力，而过量的压力则通过安全阀 释放至大气中。这一储罐的绝热、 高强度和安全设置也显著地增加了 LH2 储存的重量和成本。
图 10-22 直接燃料电池汽车
图 10-23 重整燃料电池汽车
10.2.2 燃料电池电动汽车构造
• 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：加速行驶时，燃料电池系统与峰值电源两者都向电动机驱动装置 提供动力能。在制动时，电动机运行于发电机状态，将部分制动能量变换为 电能，并储存在蓄电池中。当负载功率小于燃料电池系统的额度功率时，蓄 电池也能从燃料电池系统补充、恢复能量。
燃料电池的电流-电压曲线
• 燃料电池的工作电压工作时，燃料 电池通过外电路形成放电电流，这 时燃料电池正、负极之间的电位差 （工作电压 ）为
10.1.1 燃料电池
燃料电池有哪些类型？
10.1.1 燃料电池
燃料电池正常的运行温度及其电解质的状态
10.1.1 燃料电池
质子交换膜燃料电池
• 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。
Honda FCV Clarity主要动力部件的整车布置图
10.2.2 燃料电池电动汽车构造
日本本田FCV CLARITY关键元器件的分布位置
10.2.2 燃料电池电动汽车构造
燃料电池系统
• 燃料电池系统的核心是燃 料电池电堆，此外，还配 备了氢气供给系统、氧气 供给系统、气体加湿系统、 水循环及反应物生成处理 系统等，用以确保燃料电 池电堆正常工作。
10.1.1 燃料电池
什么是燃料电池汽车？我国在燃料电池汽车战略上做了哪些工作推动？
10.1.1 燃料电池
燃料电池电动汽车的优势
• （1）汽车开始行驶时，蓄电池组为驱动系统提供能量，并对燃料电池进行 预热，燃料电池动力系统不需要工作。
• （2）当氢气供给足够时， 燃料电池动力系统起动， 由燃料电池动力系统为驱 动系统提供能量。
请思考：并请说明直接甲醇燃料电池的原理是什么？
• 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。
10.2.2 燃料电池电动汽车构造
燃料电池电动汽车动力源有哪些？有哪些车身结构？
10.1.1 燃料电池
请思考：并请说明固态氧化物燃料电池的原理是什么？
• 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。
10.1.1 燃料电池
• 在氢氧燃料电池中，氧可以从空气 中引入，当反应发生时，氧被迁移 接近电极微孔中的电极表面，而在 那里与在整体空气情况中相比，氧 的局部压力必然下降。随着电流增 加，效率下降而功率增加。因此， 在低电流下运用燃料电池，即在低 功率下可获得高运行效率。
10.1.1 燃料电池
燃料电池的发电原理
10.1.1 燃料电池
• 碱性燃料电池的工作温度 大约80℃。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。
10.1.1 燃料电池
请思考：并请说明熔融碳酸盐燃料电池的原理是什么？
• 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%。
10.1.1 燃料电池
燃料电池的基本组成
• 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。在两电极间电位差作用下， 电子经外电路流向阴极或负极，在 阴极处，正离子和氧结合，产生反 应物或废气。
• 请思考：什么是气化？有什么危害？ 防护措施有哪些？
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10.2.5 燃料电池汽车的储氢方式
金属储氢
• 利用金属氢化物储氢是将氢气加压至3～6MPa，使进入容器的氢在高压下 附在金属小颗粒上，完成氢与金属的结合，同时放出热量。由于从金属小颗 粒中释放出氢时，需要吸收外部的热量。因此，金属储氢容器不仅需要有一 定的耐压强度，还要有足够的换热面积，以满足充氢和放氢时的热量传递。
• 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。
10.2.2 燃料电池电动汽车构造
重整燃料电池汽车与直接燃料电池汽车
• 重整燃料电池汽车与直接燃料电池汽车的主要区别在于使用汽油、天然气、 甲醇、甲烷、液化石油气等燃料，在汽车上通过重整器产生氢，再将氢提供 给燃料电池电堆。重整燃料电池汽车动力系统的基本组成如图所示。
电动汽车构造与维修
项目十、燃料电池电动汽车
书号： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 任课老师： xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
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10.1 燃料电池电动汽车结构与原理
学习目标
• 掌握燃料电池的类型与原理 • 掌握燃料电池汽车的结构类型 • 掌握燃料电池汽车的关键元器件的
作用与原理 • 掌握燃料电池汽车的储氢方式 • 掌握燃料电池汽车整车控制系统
10.2.2 燃料电池电动汽车构造
纯燃料电池驱动的燃料电池电动汽车
10.2.2 燃料电池电动汽车构造
请说说燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV结构的特征有哪些？
10.2.2 燃料电池电动汽车构造
燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV
10.2.2 燃料电池电动汽车构造
燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV
10.1.1 燃料电池
什么是活性损耗？
• 当电流流通时，离子在邻近负极处 放电，因此在该区域中，离子浓度 趋于减小。若为维持电流，则必须 向电极输运离子。这一过程的发生 自然归结于整体电解液中离子的分 解，并起因于离子浓度梯度所形成 的场直接输运的作用。
10.1.1 燃料电池
请解释：什么是浓度电压降？有什么特征？
10.2.3 驱动电动机
请说说燃料电池的驱动电机有哪几种类型？
• 驱动电机是燃料电池电动汽车的重 要组成部分，驱动电动机用于将电 源所提供的电能转换为电磁转矩， 并通过传动装置驱动车辆行驶。
10.2.3 驱动电动机
永磁无刷电动机的优势有哪些？
• 永磁无刷电动机（PMBLM）利用 电动机电压、电流和电动机参数来 估算出速度，不用速度传感器，从 而达到简化系统、降低成本、提高 可靠性的目的。
• （3）当车辆能量需求较大 时，燃料电池动力系统与 蓄电池组同时为驱动系统 提供能量。
• （4）当车辆能量需求较小 时，燃料电池动力系统为 驱动系统提供能量的同时， 还给蓄电池组进行充电。
10.1.1 燃料电池
燃料电池汽车的工作原理是什么？
• 燃料电池汽车（FCV）因其具有安 静、高效和零污染（或低污染）排 放的特点，同时续驶里程完全可以 和内燃机汽车相媲美，具有结束内 燃机汽车百年统治地位的潜力。
10.1.1 燃料电池
请说说丰田Mirai燃料电池堆栈的原理是什么？
图 10-9 丰田 Mirai 的燃料电池阴极
图 10-10 丰田 Mirai 的燃料电池正极
10.1.1 燃料电池
10.1.1 燃料电池
燃料电池堆常见故障有哪些？请说明。
• 当燃料电池堆出现了质子交换膜破 损等致命故障，就只能更换新的电 池堆；如果是由于外界扰动而造成 的输出功率不稳定，可以通过各种 控制器加以稳定。
10.1.1 燃料电池
请思考：并请说明磷酸燃料电池的原理是什么？
• 这种电池使用液体磷酸为电解质， 通常位于碳化硅基质中。磷酸燃料 电池的工作温度要比质子交换膜燃 料电池和碱性燃料电池的工作温度 略高，位于60 - 200℃左右，但仍 需电极上的白金催化剂来加速反应。
10.1.1 燃料电池
请思考：并请说明碱性燃料电池的原理是什么？
• 请思考：燃料电池的燃料有哪些？
10.1.1 燃料电池
请思考：汽车燃料电池的工作原理是什么？请说说其电化学反应的过程。
• 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。
10.1.1 燃料电池
请思考：质子交换膜燃料电池催化反应是什么？
• 质子交换膜燃料电池采用固态聚合物膜为电解质。该聚合物膜为全氟磺酸膜， 是酸性的，因此迁移的离子为氢离子（ H+)或质子。质子交换膜燃料电池由 纯氢和作为氧化剂的氧或空气→起供给燃料。
• 在质子交换膜燃料电池中，另一 关键性问题是水的管理。为了燃 料电池的特定运行，聚合物膜必 须保持温润。事实上，聚合物膜 中离子的导电性需要湿度。若聚 合物膜过于干燥，就没有足够的 酸离子去承载质子；若聚合物膜 过于湿润（被浸渍），则扩散层 的细孔将被阻断，反应气体不能 扩展触及催化剂。水在质子交换 膜燃料电池中的阴极生成。通过 将燃料电池保持在某一温度下使 水蒸发引起水蒸气态移出燃料电 池。
10.2.2 燃料电池电动汽车构造
辅助蓄能装置，请说说FCEV汽车的工作模式。
• 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。在车辆 制动时，将驱动电动机转换为发电机工作状态，将车辆的动能转换为电能， 并向辅助蓄能装置充电，以实现车辆制动时的能量回收。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。