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1、关于燃料电池电动汽车的基本组成和结构(2)第1页，讲稿共59张，创作于星期二一、概述一、概述1、燃料电池介绍 燃料电池燃料电池（Fuel CellFuel Cell）是一种将持续供给的燃料和氧化剂是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断的转化成电能的化学装置。中的化学能连续不断的转化成电能的化学装置。车用两种：车用两种：质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接甲醇燃料电池、直接甲醇燃料电池 2002 年年1 月月9 日，日，美国能源部宣布新的汽车研究项目，美国能源部宣布新的汽车研究项目，FreedomCARFre
2、edomCAR项目，长期目标是实现高效、价廉、无污染：项目，长期目标是实现高效、价廉、无污染：研究先进、高效的燃料电池技术，用氢燃料作动力，不产研究先进、高效的燃料电池技术，用氢燃料作动力，不产生任何污染。该项目继续对电动汽车进行专项研究，但是生任何污染。该项目继续对电动汽车进行专项研究，但是重点是发展氢燃料电池电动汽车。重点是发展氢燃料电池电动汽车。第2页，讲稿共59张，创作于星期二 阳极：阳极：阴极：阴极：电池总反应：电池总反应：质子交换膜燃料电池单体主要由质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极（阳极、膜电极（阳极、阴极）、质子交换膜和集流板阴极）、质子交换膜和集流板组成。组成。其具体反应步骤
3、为：经增湿后的其具体反应步骤为：经增湿后的H2和和O2分别进入阳极室和阴分别进入阳极室和阴极室，经电极扩散层扩散到达催化层和质子交换膜的界面，极室，经电极扩散层扩散到达催化层和质子交换膜的界面，分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应：分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应：第3页，讲稿共59张，创作于星期二质子交换膜燃料电池的反应原理质子交换膜燃料电池的反应原理 阳阳极极反反应应生生成成的的质质子子（H H+）通通过过质质子子交交换换膜膜传传导导到到达达阴阴极极，阳阳极极反反应应产产生生的的电电子子通通过过外外电电路路到到达达阴阴极极。生生成成的的水水以以水水蒸蒸汽汽或或冷冷凝水的形式由过剩的阴极
4、反应气体从阴极室排出。凝水的形式由过剩的阴极反应气体从阴极室排出。第4页，讲稿共59张，创作于星期二燃料电池的优势：（1）效率高，燃料电池的化学反应不受卡诺循环的限制，理论上能量效率可接近80，实际效率已达5070%。（2）清洁无污染。（3）效率随输出功率变化的特性好，燃料电池的效率在额定功率附近可达60，部分功率下运行时效率会高于额定功率下的效率，可达约70%，过载功率下运行时效率略低于额定功率的效率，可达5055。燃料电池的效率随输出功率变化的特性比内燃机更适合于汽车的实际运行。（4）过载能力强，燃料电池的短时过载能力可达200的额定功率，更适合于汽车的加速、爬坡等工况。（5）设计方便性（
5、6）低噪音第5页，讲稿共59张，创作于星期二第6页，讲稿共59张，创作于星期二燃料电池的不足：燃料电池的不足：1、压缩氢气存储空间问题。2、存储的安全性及系统效率。3、氢燃料的供给设施第7页，讲稿共59张，创作于星期二甲醇经过重整甲醇经过重整,重整产物为氢气、碳氧化物。甲醇重整产物为氢气、碳氧化物。甲醇在重整器中发生的反应如下：在重整器中发生的反应如下：第8页，讲稿共59张，创作于星期二燃料电池大客车燃料电池大客车2、燃料电池车示例、燃料电池车示例 第9页，讲稿共59张，创作于星期二Fuel Cell Bus of Daimler-ChryslerFuel Cell Bus of Daimle
6、r-Chrysler第10页，讲稿共59张，创作于星期二第11页，讲稿共59张，创作于星期二第12页，讲稿共59张，创作于星期二外形尺寸(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)燃料电池城市客车设计参数燃料电池城市客车设计参数第13页，讲稿共59张，创作于星期二Chinese National FCB Demonstration 超过超过8000km 8000km 的道的道路行驶试验路行驶试验2004
7、2004年年5 5月月2727日在天安日在天安门广场展示门广场展示第14页，讲稿共59张，创作于星期二整车造型与色彩设计第15页，讲稿共59张，创作于星期二整车性能指标性能指标性能指标试验结果试验结果最高车速（最高车速（km/h)86.4最大爬坡度（）最大爬坡度（）18050km/h加速加速时间时间(s)30.90一次加氢一次加氢(40km/h匀速匀速)续驶里程续驶里程(km)568.7(按按35MPa计算）计算）氢消耗量（氢消耗量（kg/100km)4.848等效油耗（汽油等效油耗（汽油L/100km)18.3加速车外噪声（加速车外噪声（dB(A)）76.3第16页，讲稿共59张，创作于星期
8、二汽车爬坡试验第17页，讲稿共59张，创作于星期二第18页，讲稿共59张，创作于星期二Performances Motor power：24kW(60 kW)FCE power：30 kWBattery：50AHMax speed：110 km/hGrade ability：20Acceleration：15.9sRange：220 kmEfficient：0.98 kg/100km第19页，讲稿共59张，创作于星期二第20页，讲稿共59张，创作于星期二二、燃料电池车结构二、燃料电池车结构1、燃料电池车工作原理、燃料电池车工作原理第21页，讲稿共59张，创作于星期二1、燃料电池车工作原理、燃料
9、电池车工作原理急剧加速状态下，对应于峰值功率指令，燃料电池系统与峰值电源两者都向电动机驱动装置供给牵引功率；在制动状态下，电动机运行于发电机状态，将部分制动能量变换为电能，并储存在峰值电源中；当负载功率小于燃料电池系统的额度功率时，峰值电源也能从燃料电池系统补充、恢复其能量。第22页，讲稿共59张，创作于星期二2、燃料电池控制策略、燃料电池控制策略功能：1）电动机的输出功率始终满足功率要求；2）峰值电源的能级始终维持在最佳范围；3）燃料电池系统运行在其最佳运行区。第23页，讲稿共59张，创作于星期二2、燃料电池控制策略、燃料电池控制策略1）停顿模式燃料电池系统和峰值电源都不向驱动系供给功率，燃
10、料电池系统可运行在空载状态。2）制动模式燃料电池系统运行在空载状态，而峰值电源依据制动系统运行特性吸收再生制动能量。第24页，讲稿共59张，创作于星期二2、燃料电池控制策略、燃料电池控制策略3）牵引模式A.若电动机输入功率大于燃料电池系统的额定功率，则应用混合牵引模式。燃料电池系统运行在其额定功率状态，而剩余的功率的功率需求由峰值电源供应。B.若电动机输入功率小于燃料电池系统预设的最小功率，且峰值电源需要充电，则燃料电池系统以额定功率运行，一部分功率用于驱动系，另一部分功率用于峰值电源。弱峰值电源不需要充电，则燃料电池系统运行于空载状态，由峰值电源单独驱动车辆。C.若负载功率大于燃料电池锁预设
11、的最小功率，并小于燃料电池的额度功率，同时峰值电源不需要充电，则由燃料电池单独驱动车辆。若峰值电源需要充电，则燃料电池系统以额度功率运行，其一部分功率用于驱动车辆，另一部分功率用于向峰值电源充电。第25页，讲稿共59张，创作于星期二3、布置形式、布置形式问题：成本、重量、耗氢、动态响应、无法制动回收问题：成本、重量、耗氢、动态响应、无法制动回收第26页，讲稿共59张，创作于星期二问题：电池、控制复杂问题：电池、控制复杂第27页，讲稿共59张，创作于星期二问题：可回馈、性能优、容量小问题：可回馈、性能优、容量小第28页，讲稿共59张，创作于星期二问题：电池、系统复杂问题：电池、系统复杂第29页，
12、讲稿共59张，创作于星期二问题：对电池有利、飞轮问题：对电池有利、飞轮第30页，讲稿共59张，创作于星期二4、整体、整体结结构与构与设计设计第31页，讲稿共59张，创作于星期二混合动力燃料电池大客车原理混合动力燃料电池大客车原理第32页，讲稿共59张，创作于星期二电动车控制器第33页，讲稿共59张，创作于星期二第34页，讲稿共59张，创作于星期二系统构型系统构型上海神力上海神力燃料电池燃料电池130kW双向双向DCDC放电：放电：50kW充电：充电：20kW镍氢或锂离子电池镍氢或锂离子电池80100Ah200250V驱动电机驱动电机额定额定100kW最大最大180kW目标样车目标样车第35页，
13、讲稿共59张，创作于星期二丰田燃料电池车市客车丰田燃料电池车市客车FCHV 第36页，讲稿共59张，创作于星期二戴姆勒戴姆勒-克莱斯勒燃料电池城市客车克莱斯勒燃料电池城市客车 第37页，讲稿共59张，创作于星期二燃料电池轿车燃料电池轿车第38页，讲稿共59张，创作于星期二三、燃料电池车的关键问题三、燃料电池车的关键问题1、经济经济性性节省耗氢，匹配优化2、安全性、安全性技术难点：耗氢估计第39页，讲稿共59张，创作于星期二氢安全氢安全电安全电安全结构安全结构安全高电压高电压大电流大电流人体触电防护人体触电防护电磁波对周边影响电磁波对周边影响氢泄漏氢泄漏滞留滞留氢易燃易爆性氢易燃易爆性氢脆性氢脆
14、性高压储氢系统的碰撞保护高压储氢系统的碰撞保护高压电系统的碰撞保护高压电系统的碰撞保护轻量化带来的结构强度问题轻量化带来的结构强度问题第40页，讲稿共59张，创作于星期二第41页，讲稿共59张，创作于星期二第42页，讲稿共59张，创作于星期二照片照片 1 时间时间:0分分,0 秒秒 氢燃料车辆在左边，汽油车氢燃料车辆在左边，汽油车辆在右边辆在右边 第43页，讲稿共59张，创作于星期二照片照片 2 时间时间:0分分,3 秒秒 两种燃料点火，氢流量两种燃料点火，氢流量2100SCFM，汽油流量，汽油流量680CC/min第44页，讲稿共59张，创作于星期二照片照片 3 时间时间:1分分,0 秒，氢
15、流量减退，汽油车火焰扩秒，氢流量减退，汽油车火焰扩大大第45页，讲稿共59张，创作于星期二照片照片4 时间时间:1分分,30 秒，秒，第46页，讲稿共59张，创作于星期二照片照片 5 时间时间:2 分分,20 秒秒 内部爆燃内部爆燃 第47页，讲稿共59张，创作于星期二照片照片 6 时间时间:2 分分,40 秒秒 驾驶座侧后轮胎爆裂驾驶座侧后轮胎爆裂第48页，讲稿共59张，创作于星期二49照片照片 7 时间时间:2 分分,40 秒秒 驾驶座侧后轮胎爆裂驾驶座侧后轮胎爆裂的残片飞到乘客侧的残片飞到乘客侧第49页，讲稿共59张，创作于星期二抗冲击测试（左边是高空坠落，右边是枪击）抗冲击测试（左边是
16、高空坠落，右边是枪击）第50页，讲稿共59张，创作于星期二高压氢气罐耐高温测试高压氢气罐耐高温测试 抗冲击测试后进行评估抗冲击测试后进行评估 第51页，讲稿共59张，创作于星期二身体电流(mA)电流持续时间(ms)10250 1005001000100000.1105010050010001000020020500020001202005100/V500/V人体不会产生反应的范围不会产生有害的生理影响的范围IEC 60479-1直流电流对人体的影响直流电流对人体的影响n对人体造成有害的生理影响的容许电流值为对人体造成有害的生理影响的容许电流值为2mA10mAn为此必须确保在任何情况下电系统的绝
17、缘阻抗值为此必须确保在任何情况下电系统的绝缘阻抗值100/第52页，讲稿共59张，创作于星期二3、可靠性、可靠性4、供氢供氢（1）车载制氢（2）车载纯氢 1）高压氢气储存2）液态氢储存3）金属氢化物储氢4）活性炭吸附贮氢5）碳纳米材料贮氢第53页，讲稿共59张，创作于星期二存氢方法高压氢液 氢金属储氢活性炭纳米碳管氢气纯度纯氢高纯氢超纯氢超纯氢超纯氢要 求99%99.999%99.9999%99.9999%99.9999%表2.3 各储氢方法对氢气纯度的要求第54页，讲稿共59张，创作于星期二5、控制系统控制系统 燃料电池城市客车动力系统主要由燃料电池发动机、动燃料电池发动机、动力蓄电池、力蓄电池、DC/DCDC/DC变换器、能量控制单元、电机等及其控制变换器、能量控制单元、电机等及其控制系统系统组成。线传操控系统 第55页，讲稿共59张，创作于星期二底底盘线传盘线传操操纵纵控制技控制技术术（Hy-Wire概念概念车车)第56页，讲稿共59张，创作于星期二第57页，讲稿共59张，创作于星期二6、发展前景发展前景 第58页，讲稿共59张，创作于星期二感感谢谢大大家家观观看看第59页，讲稿共59张，创作于星期二