项目五 燃料电池电动汽车结构原理

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1.2 混合动力汽车的类型
燃料电池亟待解决的问题
燃料电池整车集成技术
燃料电池发动机技术
高压储氢系统技术
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1.3燃料电池汽车
荣威950插电式燃料电池汽车
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1.3燃料电池汽车
现代氢燃料电池车ix35
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1.3燃料电池汽车
丰田燃料电池车mirai
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1.2燃料电池的基本知识
1.2.2 基本结构
燃料电池的基本结构主要是由四部分组成，分别为阳极、阴极、电解 质和外部电路。通常阳极为氢电极，阴极为氧电极。阳极和阴极上都 需要含有一定量的电催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应，两 电极之间是电解质。
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1.2燃料电池的基本知识
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1.2燃料电池的基本知识
1.2.1定义
燃料电池(Fuel Cells)是一种不需要经过卡诺循环的 电化学发电装置，能量转化率高。燃料和空气分别 送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表 上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质 上它不能“储电”而是一个“发电厂”。由于在能 量转换过程中，几乎不产生污染环境的含氮和硫氧 化物，燃料电池还被认为是一种环境友好的能量转 换装置。
YSZ 固体
Ni/YSZ
Sr/LaMnO2 900-1050 ＞10min
应用
机动车、洁净电站， 航天，机动
潜艇，燃料电池电 车
动汽车
洁净电站，轻便 电源
洁净电站
洁净电站，联 合循环发电
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1.2 混合动力汽车的类型
质子交换膜燃料电池几个特点
能量密度大 启动速度快 适合部分负荷特性 单体电池的电压高
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2.5燃料电池汽车工作原理
燃料电池工作原理： （1）氢气被输送到负极； （2）氢气在负极的催化剂作用下，分离出阳离子和负离子（即 电子）； （3）电子沿外部电路流向正极； （4）阳离子通过固体高分子电解质膜流向正极（固体高分子电 解质膜具有只允许阳离子通过、电子无法通过的特性）； （5）正极中的氧气与流至正极的氢气反应生成水。
丰田Mirai搭载的燃料电池堆栈是由370片薄片燃料电池 以串联方式层叠组合构成的。将双极板与膜电极交替叠 合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺 杆紧固拴牢，即构成燃料电池电堆，因此被称为“堆栈” （stack）。它一共可以输出114千瓦的发电功率。
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2.2.4 催化剂
燃料电池堆和DC总成
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2.5燃料电池汽车工作原理
（4）电力传输过程 燃料电池堆内氢氧化学反应产生的电能输送至电机控制器进行逆 变后，产生交流电供驱动电机使用。 （5）动力传输过程 驱动电机在三相交流电的作用下，产生扭矩和一定的转速，通过 减速机构实现减速增矩，从而驱动车辆行驶。 （6）“尾气”排放过程 氢气与氧气在燃料电池堆内化学反应产生了唯一的排放气体 “水”。
双极板是由极板和流场组 成。主要作用是气体分配、 集流、导热和密封。双极 板是电、热的良导体，具 有良好的机械性能，很好 的阻气性能，耐腐蚀性好 等特点，其性能决定了燃 料电池堆体积比功率和质 量比功率。
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2.2.2 质子交换膜
质子交换膜作为电解质， 起到传导质子，隔离反应 气体的作用。在燃料电池 内部，质子交换膜为质子 的迁移和输送提供通道， 使得质子经过膜从阳极到 达阴极，与外电路的电子 转移构成回路，向外界提 供电流。
间接式燃料电池
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1.2燃料电池的基本知识
1.2.3 燃料电池的分类
按燃料电池工作温度分
低温型燃料电池 中温型燃料电池 高温型燃料电池
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1.2混合动力汽车的类型
燃料电池类 质子交换膜燃料电 碱性燃料电
型
池
池
酸性燃料电池
可溶碳酸盐 固态氧化物燃
燃料电池
料电池
简称
PEMFC
AFC
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1.1燃料电池汽车的优缺点
零排放或近似零排放 减少了机油泄漏带来的水污
染 降低了温室气体的排放
提高了燃油经济性
提高了发动机燃烧效率
运行平稳、无噪声
优点 缺点
结构复杂
氢燃料存储技术难 度大复杂
储能电池的二次污 染
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1.2 混合动力汽车的类型
混合动力汽车的类型，按能量补给形式分，可以分为插电式 混合动力汽车和非插电式混合动力汽车。按照驱动形式分，可 以分为串联式、并联式和混联式。按照对电能的依赖程度，则 可以分为弱混、中混、强混及插电式几种。
项目五 燃料电池电动汽车结构原理
任务1 认识燃料电池电动汽车
《新能源汽车概论》
知识目标：
了解燃料电池汽车的基本定义和优缺点； 认识燃料电池的典型车型； 掌握典型燃料电池汽车的组成结构； 了解燃料电池的组成结构； 了解燃料电池汽车的工作原理。
技能要求：
学会查找国内外燃料电池汽车技术资料； 能够区分燃料电池汽车和一般电动汽车； 能够掌握燃料电池在车辆上的位置； 能够区分燃料电池和动力电池的不同； 能指出储氢罐和燃料电池堆的关系。
阳极（负极）：2H2 →4H++ 4e阴极（正极）：O2+ 4H++ 4e- →2H2O
2.2燃料电池堆
燃料电池堆（Fuel cell stack）位于前排座椅下方，是整 车的电力来源，氢气和氧气在燃料电池堆中发生反应产 生电能。燃料电池堆是发生电化学反应场所，燃料电池 动力系统核心部分。
单体电池是由将双极板与膜电极(MEA-催化剂、质子交 换膜、碳纸/碳布)组成。
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2.2.1双极板
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2.4储能电池
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2.5燃料电池汽车工作原理
总体来说，氢燃料电池汽车的驱动方式就是通过氢与氧在燃料电池 堆中发生反应，产生出电能来驱动电动机，通过动力传动机构最终将 扭矩传至驱动轮从而驱动车辆行驶。
燃料电池的工作有以下6个步骤： （1）1引入氧气过程 氧气从前进气格栅进入并达到燃料电池内。 （2）输入氢气过程 氢气从储氢罐中被释放，进入燃料电池内。 （3）氢氧反应过程 氢气和氧气在燃料电池中发生化学反应，并生成水和电能。
1.2.3 燃料电池的分类
按运行机理来分类
酸性燃料电池
碱性燃料电池
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1.2燃料电池的基本知识
1.2.3 燃料电池的分类 按电解质分类 质子交换膜燃料电池
可溶碳酸盐燃料电池
固态氧化物燃料电池
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1.2燃料电池的基本知识
1.2.3 燃料电池的分类 按燃料的类型来分类 直接式燃料电池
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2.2.3碳纸/碳布
气体扩散层GDL通常由碳纸或者碳布组成，主要起到传质Baidu Nhomakorabea 导电，传热，支持催化层，导水的作用。
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2.2.4 催化剂
作为氢燃料电池反应关键，催化层是由催化剂和催化剂 载体形成的薄层。催化剂主要采用Pt/C，Pt合金/C，载 体材料主要是纳米颗粒碳、碳纳米管、碳须等。催化剂 对材料要求导电性好，载体耐蚀，催化活性大。
PAFC
MCFC
SOFC
电解质
电解质形态
阳极
阴极 工作温度 启动时间
含氟质子膜
固体
Pt/C
Pt/C 60-80 ＜5s
KOH 液体
Pt/Ni
Pt/Ag 50-200 几分钟
磷酸
液体
Pt/C
Pt/C 150-220 几分钟
Li2CO2K2CO2 液体 Ni/Al、 Ni/Cr Li/NiO 约650 ＞10min
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2.1驱动电机
驱动电机位于车辆前舱内，驱动电机的最大功率可达113KW，峰值 扭矩为335Nm。
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2.1驱动电机
和纯电动汽车一样，燃料电池汽车的驱动电机也以三相交流电机为 主。在工作时，需要通过电机控制器对其进行转速、扭矩和旋转方 向等内容的进行控制。
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充电试卷小于45min（420V）
60ml/km
无
723.6（售价）-200（补贴）=523.6 823至1081之间，补贴不祥
（约30.7万人民币）
项目五 燃料电池电动汽车结构原理
任务2 燃料电池汽车构造与原理
《新能源汽车概论》
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以Mirai为例，除了传统车辆的基本车身、底盘等结构，主要构成有 燃料电池电堆、储氢罐、动力电池、DC/DC、逆变器（电机控制器）、 驱动电机和功率控制单元等。
1.3燃料电池汽车
Mirai与纯电动特斯拉Model S的比较
车重/总重（kg） 行驶里程（km） 最高车速（km/h） 百公里加速时间
乘坐人数 充气/充电
排水量
价格（万日元）
Mirai
Model S
1850（2070）
2270（2570）
650
390
175
190
10 S
6.2 S
4人
5人
充气时间小于3min
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2.3储氢罐
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2.4储能电池
储能电池能够把燃料电池堆产生的剩余电能和制动能量 回收产生的电能储存起来。储能电池和燃料电池的“电 池”不是同一概念。储能电池和纯电动汽车或混合动力 汽车中的动力电池包的结构和原理一样。丰田车系储能 电池一般以镍氢电池为主，其优点是质量轻。由于混合 动力系统的工作方式，需要不停的对电池进行快速充放 电，而镍氢电池恰恰具备良好的快速充放电性能。
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2.5燃料电池汽车工作原理
【任务学习】
2.5燃料电池汽车工作原理
阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极 都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜作为传递H+的 介质，只允许H+通过。工作时相当于一直流电源，阳极即电源负 极，阴极即电源正极。
电堆工作时，氢气和氧气分别由进口引入，经电堆气体主通道分 配至各单电池的双极板，经双极板导流均匀分配至电极，通过电极 支撑体与催化剂接触进行电化学反应。
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2.3储氢罐
该车型上储氢罐采用碳纤维材质和凯夫拉材料制造，最 大可承受70Mpa（700bar）的压力，该压力下，加满 122.4L的储氢罐可容纳5kg左右的氢气。我国氢燃料电池 汽车的储氢罐技术目前能够承受的压力在35Mpa作用， 与世界先进水平还有一点差距。 对储氢罐的要求除了能够承受足够的压力外，还对其碰 撞等安全性能有要求。在装车前，储氢罐的安全性应进 行爆破、疲劳、耐久性、火烧、高处跌落、碰撞和枪击 等一系列安全测试。