第四章 燃料电池电动汽车

Max speed：
Grade ability ： Acceleration： Range ： Efficient：
110 km/h
> 20％ 15.9s 220 km 0.98 kg/100km
2、燃料电池系统的组成和工作原理
2.1 燃料电池介绍
燃料电池（Fuel Cell）是一种把燃料氧化的化 学能直接转换为电能的“发电装置”，是电化 学反应的发生器。
1.3.1 国外燃料电池汽车发展现状
2009年，欧盟批准燃料电池和氢能技术项目行动计划， 计划拿出4.7亿欧元持续资助燃料电池汽车及基础设施 技术研发。 德国政府高度重视燃料电池汽车及氢能研发，拟与企业 联合资助14亿欧元用于燃料电池汽车、氢能等关键技术 研发。 日本政府在过去30年时间内先后投入上千亿日元用于燃 料电池汽车和氢能的基础科学研究、技术攻关和示范推 广。2011年1月，包括丰田、本田、尼桑等在内的日本 13家汽车和能源企业共同决定在东京、大阪、名古屋和 福冈四大都市圈的市区和高速公路上建立100座加氢站， 并通过完善设计、改善生产技术等方法大幅降低燃料电 池汽车生产成本，培育燃料电池汽车市场。
试验结果
86.4 18 30.90 568.7
(按35MPa计算）
4.848
等效油耗（汽油L/100km)
加速车外噪声（dB(A)）
18.3
76.3
汽车爬坡试验
Performances
Motor power： Battery ： 24kW (60 kW) 50AH
FCE power： 30 kW
3、燃料电池电动汽车的系统 组成和工作原理
燃料电池电动汽车是以燃料电池系 统作为动力源或主要动力源的车辆。 按照驱动形式：分为纯燃料电池驱 动和混合驱动。 按照燃料电池系统的能量来源：分 为车载纯氢和燃料重整。
3.1 燃料电池单独驱动汽车动力系统
优点：
1）系统结构简单，便于实现系统控制； 2）系统部件少，有利于整车的轻量化； 3）较少的部件使得整体的能量传递效率高， 从而提高整车的燃料经济性。
国外一方面研究低铂燃料电池技术，减少催化剂用量，另一方 面研究催化剂抗毒性，降低其运行成本，同时还开发非铂催化剂来 代替贵重金属Pt。 低温冷启动性能
高压储氢系统技术
目前国外主流燃料电池汽车车型均采 用70MPa的氢气存储和供给系统； 国内燃料电池汽车的高压氢气存储系 统压力仍然维持在35MPa水平，这一定程 度上影响了我国燃料电池汽车整车续驶里 程能力。 国内35MPa的氢气存储和供给系统中 的传感器、阀门等零件还依赖进口，直接 导致氢气存储与供给系统成本过高。
3）具有良好的免维护性能； 4）耐振性和耐冲性能好； 5）能够从低负荷到高负荷进行高效率运转； 6）可以放置在冰点以下环境中。
按燃料的供应方式不同，燃料电池发电系统分为直接 和间接供氢型。 直接供氢就是直接用氢作燃料，没有中间重整过程。 间接供氢是通过重整装置先将氢从其他形式的燃料中 分离出来。 车载纯氢储存方法主要分为：高压氢气储存、液态氢 储存、金属储氢、活性炭吸附储氢和碳纳米材料储氢。 车载制氢需要内部高温的燃料处理器，通过重整或部 分氧化等方式由燃料中获得氢。醇类：甲醇、乙醇、 二甲醚等；烃类：柴油、汽油、甲烷等。
按电解质类型不同，燃料电池可分为：
质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、 碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸 盐燃料电池、固体氧化物燃料电池
2.2 燃料电池的工作原理
组成：膜电极（阳极、阴极）、 质子交换膜和集流板
反应过程：
1）氢气通过管道或导气板到达阳极。 2）在阳极催化剂的作用下，一个氢分子分解为两个质子， 并释放出两个电子，阳极反应为 H 2H 2e 3）在电池的另一端，氧气通过管道或导气板到达阴极， 同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到 达阴极。电子在外电路的连接下形成电流。 4）在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应 生成水，阴极反应为 1 O 2 H 2e H O
1.4 燃料电池车示例
燃料电池大客车
Fuel Cell Bus of Daimler-Chrysler
燃料电池城市客车设计参数
外形尺寸 (mm):11,0702,4903,420 满载总质量 (kg)：15,000 载客数（人）：50 最高车速 (km/h)：70 最大爬坡度：≥15% 加速性能 (050km/h)：30s 续驶里程 (km)：≥ 200 (40km/h匀速，储氢 瓶压力15MPa)
缺点：
1）燃料电池的功率大，成本高； 2）对燃料电池系统的动态性能和可靠性提 出了很高的要求； 3）不能进行制动能量回收。
3.2 燃料电池混合动力电动汽车动力系统
组成：燃料电池系统、 DC/DC转换器、辅助 动力源、驱动电机以 及各相应的控制器， 机械传动与车辆各行 驶机构等。
FC+B
FC+C FC+B+C
1.3 燃料电池汽车发展现状
在众多的新能源汽车中，燃料电池汽车因其具有零排放、 效率高、燃料来源多元化、能源可再生等优势而被认为 是未来汽车工业可持续发展重要方向，是解决全球能源 问题和气候变化的理想方案。 国际燃料电池汽车现已进入技术与市场示范阶段。 我国燃料电池汽车面临着发展后劲不足，技术创新突破 难、产业化基础薄弱、专业人才缺乏等难题，严重阻碍 了我国燃料电池汽车技术进步。
1.2 燃料电池电动汽车的特点
优势：
（1）工作效率高
以氢气为燃料的FCV效率可达到 50%——70%左右，甲醇重整产生氢气的FCV效率可达 30%左右，内燃机汽车的效率为11%左右。
（2）节能、环保 （3）结构简单和运行平稳
面临问题：
（1）造价高 （2）氢气的储存、制备和运输 （3）加氢站等基础设施建设
在国内，以上汽股份、上海大众、一汽、长安、奇瑞等 公司为代表开发的燃料电池轿车均基于传统内燃机车辆 进行改制，尚未掌握燃料电池汽车专用车身开发、底盘 开发、底盘动力学主动控制等关键技术，与国外存在较 大差距。
燃料电池整车集成技术
燃料电池整车集成技术
2、车辆动力性能 主要受限于燃料电池功率输出水平和整车集成及轻 量化技术水平，我国燃料电池汽车整车加速性能明显低 于世界主流燃料电池汽车加速性能。 3、车辆续驶里程 到目前为止，我国基本掌握了35MPa高压储氢和加注 系统关键技术，实现高压氢气瓶等部件国产化开发，但 某些关键阀门、传感器还依赖进口，70MPa氢气存储关 键技术和关键部件仍然处在研发阶段，其直接制约了我 国燃料电池汽车续驶里程提高。 4、整车燃油经济性水平、车外噪声水平 我国燃料电池汽车与国外同类型汽车处于同一水平 甚至领先地位。
2
1 电池总反应： O2 H 2 H 2O 2
2
2
2
2.3 燃料电池发电系统
单独的燃料电池堆是不能发电并应用于汽车的， 它必须和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系 统、水/热管理系统和一个能与上述各系统协 调工作的控制系统组成为燃料电池发电系统， 才能对外输出功率。 分类：
增压式 常压式
燃料电池发电系统的主要研究热点包活：
2009年，戴姆勒、福特、通用、丰田、本田和现代汽车6 个世界主要汽车公司签署备忘录，持续开展燃料电池汽 车研发，计划于2015大力推广燃料电池汽车，并快速形 成几十万辆燃料电池汽车保有量。
经过长时间、持续稳步的支持，国外燃料 电池汽车产品的可靠性、环境适应性(如低 温启动性能)取得了重大突破，示范运行不 断深入，并陆续推出用于租赁商业化示范 的先进燃料电池汽车，燃料电池汽车进入 技术与市场示范阶段。产品成本控制与配 套基础设施建设成为制约燃料电池汽车商 业化推广主要因素。
1）使用轻质燃料，优化设计，提高燃料电池 系统的比功率； 2）提高质子交换膜燃料电池系统的快速冷启 动能力和动态反应性能； 3）研究具有负荷跟随能力的燃料处理器，提 高系统的工作可靠性。
车载燃料电池系统必须满足以下几点要求： 1）能保证在常温下工作，并且电化学性能不变；
2）为满足汽车功率需求，能提供较高的电流密度；
现代电动汽车技术
第四章 燃料电池电动汽车
主要内容
概述 燃料电池系统的组成和工作原理 燃料电池电动汽车的系统组成和 工作原理 燃料电池汽车的关键问题 典型的燃料电池车结构

1、概述
1.1 概念
燃料电池汽车是电动汽车的一种，其电池 的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是 经过燃烧，直接变成电能获得。 甲醇、天然气和汽油也可以替代氢（从这 些物质里间接地提取氢），不过将会产生极度 少的二氧化碳和氮氧化物。
燃料电池堆
质量功率密度 体积功率密度 1600W/kg 2700W/L
燃料电池发动机技术
1、集成度
国外
国内
700W/kg
1000W/L
我国轿车用燃料电池发动机输出功率等级、功率密度等 性能参数明显低于国外同类型燃料电池汽车用燃料电池 技术性能。 2、环境适应性
3、可靠性及寿命 4、成本控制关键技术研究
Chinese National FCB Demonstration 超过8000km 的 道路行驶试验
2004年5月27日在天 安门广场展示
整车造型与色彩设计
整车性能指标
性能指标 最高车速（km/h) 最大爬坡度（％） 0→50km/h加速时间(s) 一次加氢(40km/h匀速) 续驶里程(km) 氢消耗量（kg/100km)
FC+C型燃料电池电动汽车
优点：寿命长和效 率高，可以大大降 低使用成本，有利 于燃料电池汽车的 商业化推广。
FC+B+C型燃料电池电动汽车
优点：燃料电池能量输出 较为平缓，随时间变化波 动较小，能量需求变化的 低频部分由动力电池承担， 能量需求变化的高频部分 由超级电容承担。 缺点： 增加超级电容，整个系统的质量将可能增加； 系统更加复杂化，系统控制和整体布置的难度也随之增大。