1_第四章 燃料电池电动汽车

(2)氢气的储存、制备和运输 地球上的氢气资源丰富，但是如 何获取且安全地安装到汽车上是燃料电池汽车所面临的一个难 题。
(3)加氢站等基础设施建设 目前制约燃料电池汽车商业化的难 题之一就是加氢站和基础设施的建设。
第一节 燃料电池系统的组成和工作原理
一、燃料电池的定义和工作原理
二、燃料电池发电系统的组成和工作原理 三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理
3) 燃料电池应具有较快的动态响应。
4)燃料电池应具有较好的冷起动性能。 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要求。
一、燃料电池单独驱动汽车动力系统
3)不能进行制动能量回收。
一、燃料电池单独驱动汽车动力系统
图4-19
燃料电池单独驱动车型驱动系统结构图
一、燃料电池单独驱动汽车动力系统ຫໍສະໝຸດ Baidu
烧和热机做功，因此所需零件少，结构简单，振动和噪声小。
第四章 燃料电池电动汽车
(1)造价高 目前在燃料电池汽车上广泛使用的质子(交换)膜燃
料电池需要贵金属Pt作为电催化剂，但是Pt的价格昂贵、资源 匮乏，使得质子交换膜燃料电池的成本居高不下，限制了其大 规模运用。 (2)氢气的储存、制备和运输 地球上的氢气资源丰富，但是如 何获取且安全地安装到汽车上是燃料电池汽车所面临的一个难 题。
(3)加氢站等基础设施建设 目前制约燃料电池汽车商业化的难
题之一就是加氢站和基础设施的建设。 第一节 燃料电池系统的组成和工作原理
第二节 燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理
第四章 燃料电池电动汽车
第三节 典型的燃料电池汽车结构
第四章 燃料电池电动汽车
图4-1
燃料电池电动汽车内部结构示意图
(1)工作效率高 内燃机汽车的效率为11％左右，而以氢气为燃 料的燃料电池汽车效率可达到50%~70％左右，甲醇重整产生氢 气的燃料电池汽车效率可达到30％左右。
二、燃料电池发电系统的组成和工作原理
图4-4 典型的燃料电池发电系统示意图
1.增压式燃料电池发电系统
图4-5 增压式燃料电池发电系统的组成
1.增压式燃料电池发电系统
图4-6 4种常见空气压缩机 a)罗茨式压缩机 b)罗宋式压缩机 c)离心式/放射式压缩机 d)轴流式压缩机
2.常压式燃料电池发电系统
2.辅助动力源
二、燃料电池混合动力汽车动力系统
图4-22
混合驱动燃料电池汽车
二、燃料电池混合动力汽车动力系统
图4-23
混合驱动型燃料电池汽车的动力系统结构原理图
1.DC/DC转换器
2.辅助动力源
1)由于增加了比功率价格相对低廉得多的动力电池组，系统对
燃料电池的功率要求较单一燃料电池结构形式有很大的降低， 从而大大地降低了整车成本。 2)燃料电池可以在比较好的设定的工作条件下工作，工作时燃 料电池的效率较高。 3)系统对燃料电池的动态响应性能要求较低。 4)汽车的冷起动性能较好。
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主编
第四章 燃料电池电动汽车
第四章 燃料电池电动汽车
(1)工作效率高 内燃机汽车的效率为11％左右，而以氢气为燃
料的燃料电池汽车效率可达到50%~70％左右，甲醇重整产生氢 气的燃料电池汽车效率可达到30％左右。 (2)节能、环保 燃料电池汽车使用的能源主要是氢气，排放的 主要物质是水，对于环境污染问题日益突出的地球来说，燃料 电池汽车是内燃机汽车的理想替代。 (3)结构简单和运行平稳 由于燃料电池汽车能量转换不涉及燃
一、燃料电池的定义和工作原理
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氢原子，并 释放出两个电子，阳极反应为 3) 在电池的另一端，氧气(或者空气)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。 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
一、燃料电池的定义和工作原理
图4-2
燃料电池原理示意图
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氢原子，并 释放出两个电子，阳极反应为
3) 在电池的另一端，氧气(或者空气)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。
1)容量小。
2)安全性差。 3)实施问题。
(1)高压氢气储存(图4-13) 用压缩机把氢气压缩灌入车上携带 的压力容器，是目前最简单和最常用的车载储氢储存方法。
图4-13
高压储氢型燃料电池汽车
1)容量小。
2)安全性差。
图4-14
液态氢储罐的结构示意图
3)实施问题。
(2)液态氢储存 戴姆勒-克莱斯勒公司研制开发的NECAR3型和 NECAR4型以及通用汽车公司研制开发的“氢动一号”燃料电 池电动汽车均采用液态氢为燃料。
(2)节能、环保 燃料电池汽车使用的能源主要是氢气，排放的 主要物质是水，对于环境污染问题日益突出的地球来说，燃料 电池汽车是内燃机汽车的理想替代。
(3)结构简单和运行平稳 由于燃料电池汽车能量转换不涉及燃 烧和热机做功，因此所需零件少，结构简单，振动和噪声小。
(1)造价高 目前在燃料电池汽车上广泛使用的质子(交换)膜燃 料电池需要贵金属Pt作为电催化剂，但是Pt的价格昂贵、资源 匮乏，使得质子交换膜燃料电池的成本居高不下，限制了其大 规模运用。
2)为满足汽车功率需求，能提供较高的电流密度。
3)具有良好的免维护性能。
4)耐振性和耐冲击性能好。
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。
图4-12 内增湿型及外增湿型燃料电池发动机系统 a)内增湿型 b)外增湿型
1.直接供氢型
(1)高压氢气储存(图4-13) 用压缩机把氢气压缩灌入车上携带
5)制动能量的回馈可以回收汽车制动时的部分动能，该措施可
增加整车的能量效率。 1)动力电池的使用使得整车的质量增加，动力性和经济性受到
影响，对能量复合型混合动力汽车上的影响更为明显。
2.辅助动力源
2)动力电池充放电过程会有能量损耗。
3)系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。 1)增加了超级电容，整个系统的质量将可能增加。 2)系统更加复杂化，系统控制和整体布置的难度也随之增大。 1)当前燃料电池的动态性能欠佳，而汽车的工作状态总是在较 大的范围内动态变化，燃料电池不能随时满足汽车的功率需求， 增加辅助电池可以起到快速调节功率的作用。
2) 燃料电池最佳负荷率在额定功率20%~40%的范围内，为了实
现整车能量效率最佳，增加辅助电池调节燃料电池的功率输出， 可使其工作点尽量保持在效率最佳的范围内。
2.辅助动力源
3) 目前燃料电池的成本还很高，从降低整车价格的方面来考虑，
1)单位质量的储氢量并不高，储氢材料加上容器后，单位质量 的储氢量低于高性能材料的压力容器，储氢质量为总质量的1.5 %以下。
2)单位体积的储氢容量有所提高，为0.05kg/L。
3)储氢压力为1~7MPa，远低于压力容器，提高了安全性，加氢 站要求及加氢能耗皆降低。
4)金属氢化物对氢气中的少量杂质如O2、H2O、CO等有较高的 敏感度，高于燃料电池电极催化剂的敏感度，因而提高了对原 料氢的质量要求。
5)存在金属氢化物的机械强度、反复充放后的粉碎等问题。
6)储氧化物的容器要能够耐高压，还要有足够的换热面积，能 够迅速地传递吸氢和放氢反应过程中释放或者需要的热量。
(4)活性炭吸附储氢 活性炭低温吸附具有相当好的储氢能力， 在-196℃、4.2MPa时，活性炭的储氢量约为总质量的5%。
(5)碳纳米材料储氢 纳米碳管被认为是一种非常有潜力的高容 量的储氢材料，然而目前所报道的关于其高储氢容量争议很大。
的压力容器，是目前最简单和最常用的车载储氢储存方法。 (2)液态氢储存 戴姆勒-克莱斯勒公司研制开发的NECAR3型和 NECAR4型以及通用汽车公司研制开发的“氢动一号”燃料电 池电动汽车均采用液态氢为燃料。 (3)金属氢化物储氢 该方法首先使氢与金属形成金属氢化物， 加热后，金属氢化物分解脱氢而得氢气。
图4-7 常压式燃料电池发电系统结构图
2.常压式燃料电池发电系统
图4-8 典型燃料电池发电系统水/热管理系统结构 ------ —回收利用的气体
三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理
1)能保证在常温下工作，并且电化学基本性能不变。
2)为满足汽车功率需求，能提供较高的电流密度。 3)具有良好的免维护性能。 4)耐振性和耐冲击性能好。 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。 1.直接供氢型
图4-20
燃料电池单独驱动车型燃料驱动系统结构简图
1)系统结构简单，便于实现系统控制和整体布置。
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。
图4-21
燃料电池单独驱动汽车动力系统结构
1)为了减少整车成本，燃料电池必须有较低的价格。
2.间接供氢型
图4-15 汽油重整氢发生器工艺流程示意图
2.间接供氢型
图4-16
车载甲醇重整制氢系统原理图
2.间接供氢型
图4-17
车载汽油重整制氢系统原理图
第二节 燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理
一、燃料电池单独驱动汽车动力系统
二、燃料电池混合动力汽车动力系统
第二节 燃料电池电动汽车的系统组成和工作原理
(3)金属氢化物储氢 该方法首先使氢与金属形成金属氢化物， 加热后，金属氢化物分解脱氢而得氢气。
1)单位质量的储氢量并不高，储氢材料加上容器后，单位质量
的储氢量低于高性能材料的压力容器，储氢质量为总质量的1.5 %以下。 2)单位体积的储氢容量有所提高，为0.05kg/L。 3)储氢压力为1~7MPa，远低于压力容器，提高了安全性，加氢 站要求及加氢能耗皆降低。 4)金属氢化物对氢气中的少量杂质如O2、H2O、CO等有较高的
图4-18
车载燃料电池底盘实物图
一、燃料电池单独驱动汽车动力系统
1)系统结构简单，便于实现系统控制和整体布置。
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。 1)为了减少整车成本，燃料电池必须有较低的价格。 2) 为了提高整车的经济性，燃料电池应在较大的输出范围内有 较高的效率。
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
图4-3
质子交换膜燃料电池原理图
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
表4-1 燃料电池的种类及其基本电化学方程式
二、燃料电池发电系统的组成和工作原理
1.增压式燃料电池发电系统
2.常压式燃料电池发电系统
敏感度，高于燃料电池电极催化剂的敏感度，因而提高了对原
料氢的质量要求。 5)存在金属氢化物的机械强度、反复充放后的粉碎等问题。
(3)金属氢化物储氢 该方法首先使氢与金属形成金属氢化物， 加热后，金属氢化物分解脱氢而得氢气。
6)储氧化物的容器要能够耐高压，还要有足够的换热面积，能
够迅速地传递吸氢和放氢反应过程中释放或者需要的热量。
(4)活性炭吸附储氢 活性炭低温吸附具有相当好的储氢能力，
在-196℃、4.2MPa时，活性炭的储氢量约为总质量的5%。
1.直接供氢型
(5)碳纳米材料储氢 纳米碳管被认为是一种非常有潜力的高容
量的储氢材料，然而目前所报道的关于其高储氢容量争议很大。
(1)高压氢气储存(图4-13) 用压缩机把氢气压缩灌入车上携带 的压力容器，是目前最简单和最常用的车载储氢储存方法。
2.间接供氢型
三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理
图4-9
汽车用燃料电池发电系统的基本原理
三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理
图4-10
燃料电池发动机系统组成
三、汽车用燃料电池发电系统的结构和工作原理
图4-11 燃料电池发动机系统的组成
1)能保证在常温下工作，并且电化学基本性能不变。
2) 为了提高整车的经济性，燃料电池应在较大的输出范围内有 较高的效率。
3) 燃料电池应具有较快的动态响应。
4)燃料电池应具有较好的冷起动性能。
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要求。
3)不能进行制动能量回收。
二、燃料电池混合动力汽车动力系统
1.DC/DC转换器