燃料電池汽車講解

1燃料電池概述2質(zhì)子交換膜燃料電池第六章燃料電池汽車4燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理3燃料電池汽車概述5燃料電池汽車實例1燃料電池的基本概念及特點

1．燃料電池的定義

燃料電池是直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。將燃料和空氣分別送入燃料電池后，就可從其正極和負極輸出電能。從表面上看，燃料電池與蓄電池一樣，有正、負極和電解質(zhì)等，但燃料電池不能通過充電的方法“儲電”，只是一個通過消耗燃料來輸出電能的發(fā)電裝置。燃料電池概述2燃料電池的基本概念及特點

2.燃料電池與蓄電池的區(qū)別

（1）燃料電池通過電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能的活性物質(zhì)不在其內(nèi)部，而是從其外部輸入。

（2）燃料電池放電過程所消耗的活性物質(zhì)無須通過充電來還原，只需要向電池內(nèi)不斷輸入燃料及氧化劑，并將電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物及時排出即可持續(xù)提供電能。燃料電池概述3燃料電池的基本概念及特點

2.燃料電池與蓄電池的區(qū)別

（3）燃料電池本體只決定電池的輸出功率，而燃料電池能量的大小則取決于外部可輸入的燃料和氧化劑。因此，燃料電池的比能量可以很高，而續(xù)駛里程主要取決于燃料的儲備容量。

（4）燃料電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的控制比較復(fù)雜，尤其是放電控制不如普通化學(xué)電池方便。燃料電池概述4燃料電池的基本概念及特點

3．燃料電池與原動機輔助動力單元的區(qū)別

（1）燃料電池的燃料通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能，沒有燃燒轉(zhuǎn)化為熱能的過程，因而無燃料燃燒排放物，對環(huán)境污染很小。

（2）燃料電池的氧化還原反應(yīng)不在同一地點，而是在負極進行氧化反應(yīng)，在正極進行還原反應(yīng)。由于燃料電池的能量轉(zhuǎn)換過程不受卡諾循環(huán)的限制，也無須通過機械能轉(zhuǎn)換為電能，所以能量轉(zhuǎn)換效率高。

燃料電池概述5燃料電池的基本概念及特點

3．燃料電池與原動機輔助動力單元的區(qū)別

（3）燃料電池?zé)o熱機的工作噪聲，也無機械傳動裝置的工作噪聲，因此，燃料電池本身的工作噪聲很小。

（4）燃料電池不能直接使用汽油、柴油等燃料，需用氫作燃料，或以經(jīng)過重整的富氫燃料氣為間接燃料。其對燃料的要求較高，燃料的成本也較高。

燃料電池概述6燃料電池的分類

1．按工作溫度分

（1）低溫燃料電池（<200攝氏度）

（2）中溫燃料電池（200攝氏度<<750攝氏度）

（3）高溫燃料電池（>750攝氏度）燃料電池概述7燃料電池的分類

2．按燃料的來源分（1）直接式燃料電池

（2）間接式燃料電池

（3）再生式燃料電池燃料電池概述燃料為液態(tài)或氣態(tài)的純氫，不需復(fù)雜的產(chǎn)氫過程，需要鉑金銀等貴金屬催化劑。將天然氣、甲烷、汽油燈作燃料，重整純化后轉(zhuǎn)化為氫或富氫燃料，再供給燃料電池。將燃料電池的產(chǎn)物水重新分解成氫和氧，再次輸送給燃料電池進行發(fā)電。8視頻演示生產(chǎn)氫的選擇氫氣的製造與使用燃料電池概述9燃料電池的分類

3．按燃料電池采用的電解質(zhì)分

（1）堿性燃料電池（石棉網(wǎng)作電解質(zhì)載體，氫氧化鉀做電解質(zhì)）

（2）磷酸燃料電池（磷酸水溶液）

（3）質(zhì)子交換膜燃料電池（質(zhì)子交換膜）

（4）熔融碳酸鹽燃料電池（分布在多孔陶瓷材料中的堿性碳酸鹽）

（5）固態(tài)氧化物燃料電池（固態(tài)多孔非金屬氧化物）燃料電池概述10燃料電池概述11燃料電池的發(fā)電原理

1．燃料電池的基本原理

燃料電池的核心部分是燃料（陽極）、電解質(zhì)、氧化劑（陰極）。其發(fā)電原理如圖所示。燃料電池工作時，向陽極供給燃料（氫），向陰極供給氧化劑（空氣），在其內(nèi)部產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。燃料電池概述12燃料電池的發(fā)電原理

1．燃料電池的基本原理

燃料電池概述陰極：發(fā)生還原反應(yīng)的電極是陰極

陽極：發(fā)生氧化反應(yīng)的電極是陽極

正極：電勢較高的電極是正極

負極：電勢較低的電極是負極視頻演示：燃料電池原理燃料電池與一般電池的差異13燃料電池的發(fā)電原理

2．燃料電池的電動勢及工作電壓

（1）燃料電池的電動勢燃料電池內(nèi)部陽極和陰極的電化學(xué)反應(yīng)，使正極電位和負極電位發(fā)生改變，正、負電極之間產(chǎn)生電位差（電動勢E），即

無論是哪種電解質(zhì)，氫氧燃料電池的電動勢都為1.229V。如果反應(yīng)產(chǎn)物水為氣態(tài)，則電動勢為1.18V。燃料電池概述14燃料電池的發(fā)電原理

2．燃料電池的電動勢及工作電壓

（2）燃料電池的工作電壓工作時，燃料電池通過外電路形成放電電流，這時燃料電池正、負極之間的電位差（工作電壓

）為燃料電池概述15燃料電池的發(fā)電原理

2．燃料電池的電動勢及工作電壓

燃料電池概述活化極化（電化學(xué)極化）：由于電極電化學(xué)反應(yīng)遲延而引起其電位偏離平衡電位的現(xiàn)象。電化學(xué)（活化）極化、歐姆極化、濃差極化歐姆極化是由于電解液、電極材料以及導(dǎo)電材料之間存在的接觸電阻所引起的極化。濃度極化是由于反應(yīng)物消耗引起電極表面得不到及時補充（或是某種產(chǎn)物在電極表面積累，不能及時疏散）導(dǎo)致電極電勢偏離通電前按總體濃度計算的平均值；這三種極化都存在，只不過在不同的電位區(qū)域誰占主導(dǎo)罷了。在低電位區(qū)，也就是剛剛超過平衡電勢一部分，反應(yīng)主要是處于分子活化使反應(yīng)得以進行的狀態(tài)，這時候極化，或者說過電勢主要用來克服反應(yīng)的活化能了，即電化學(xué)極化；在成功越過這個極化過程后，即過電勢已經(jīng)足夠大了，但是電化學(xué)反應(yīng)還沒有收到傳質(zhì)影響之前，主要就是歐姆極化，就是IR降的損失；進一步增大反應(yīng)速率，傳質(zhì)跟不上了，就是濃差極化。16質(zhì)子交換膜燃料電池的組成1．質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理

質(zhì)子交換膜燃料電池主要由膜電極和集流板組成。其工作原理如圖所示。經(jīng)增濕后的H2和O2分別進入陽極室和陰極室，經(jīng)電極擴散層擴散到催化層和質(zhì)子交換膜的界面，在催化劑的作用下分別產(chǎn)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)。陰極反應(yīng)生成的質(zhì)子（H+）通過質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)到陽極，陽極反應(yīng)產(chǎn)生的電子則經(jīng)外電路到達陰極，形成放電電流；生成的水（H2O）以水蒸氣或冷凝水的形式隨著過剩的陰極反應(yīng)氣體從陰極室排出。質(zhì)子交換膜燃料電池17質(zhì)子交換膜燃料電池的組成1．質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理

質(zhì)子交換膜燃料電池18質(zhì)子交換膜燃料電池的組成

2．質(zhì)子交換膜燃料電池單體的組成部件質(zhì)子交換膜燃料電池19質(zhì)子交換膜燃料電池的組成

2．質(zhì)子交換膜燃料電池單體的組成部件

（1）膜電極

膜電極（MEA）是質(zhì)子交換

膜與兩側(cè)的氣體擴散層（陰、陽電

極）通過熱壓而成的復(fù)合體。質(zhì)子交換膜燃料電池20質(zhì)子交換膜燃料電池的組成

2．質(zhì)子交換膜燃料電池單體的組成部件

對質(zhì)子交換膜的要求如下：

1）具有良好的離子導(dǎo)電性能。2）應(yīng)有適度的含水率。3）在電池工作時具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。4）在極薄結(jié)構(gòu)尺寸下仍具有足夠的機械強度。5）膜表面與催化劑有良好的結(jié)合性能。質(zhì)子交換膜燃料電池21質(zhì)子交換膜燃料電池的組成

2．質(zhì)子交換膜燃料電池單體的組成部件

（2）雙極板

雙極板又稱為集流板，放置在膜電極的兩側(cè)，可將各電池單體串聯(lián)起來。雙極板的兩側(cè)分別與相鄰兩電池單體的陽極和陰極接觸，這樣，無須導(dǎo)線就可將各電池單體串聯(lián)起來。集流板除了用作導(dǎo)電和串聯(lián)各電池單體外，其表面的導(dǎo)流槽還起導(dǎo)流燃料、氧氣及冷卻水的作用。質(zhì)子交換膜燃料電池22質(zhì)子交換膜燃料電池的組成

3．質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)

由燃料電池單體通過串聯(lián)的方式組成的燃料電池堆必須持續(xù)地供給燃料和氧化劑，并及處理電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生韻水和熱才能正常工作。因此，一個能持續(xù)向外供電的燃料電池必須配備燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)及協(xié)調(diào)各系統(tǒng)工作的電子控制系統(tǒng)。質(zhì)子交換膜燃料電池23質(zhì)子交換膜燃料電池的組成

質(zhì)子交換膜燃料電池24視頻演示質(zhì)子交換膜和固態(tài)氧化物燃料電池原理質(zhì)子交換膜燃料電池25質(zhì)子交換膜燃料電池的組成

3．質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)

（1）燃料電池電堆

燃料電池電堆由多個單體電池以串聯(lián)方式層疊組合而成，如圖所示。將雙極板與膜電極交替疊合，在各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池電堆。質(zhì)子交換膜燃料電池26質(zhì)子交換膜燃料電池的組成

3．質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)

質(zhì)子交換膜燃料電池27質(zhì)子交換膜燃料電池的組成

3．質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)

（2）燃料及其循環(huán)系統(tǒng)

質(zhì)子交換膜燃料電池用純氫作燃料，也可用甲醇、天然氣等碳氫化合物作燃料。以純氫為燃料的循環(huán)系統(tǒng)，由氫源、穩(wěn)壓閥和循環(huán)回路組成。其中，氫源可以采用壓縮氫氣、液氫或金屬氫化物儲氫；穩(wěn)壓閥的作用是控制燃料氫氣的壓力；循環(huán)回路用以循環(huán)利用過量的燃料氣，通常是用一個循環(huán)泵或噴射泵將過量的氫氣送回到電池燃料氣的入口處，因此，氫源所提供的氫幾乎全部被用來發(fā)電。

質(zhì)子交換膜燃料電池28質(zhì)子交換膜燃料電池的組成

3．質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)

（3）氧化劑及其循環(huán)系統(tǒng)

質(zhì)子交換膜燃料電池的氧化劑采用純氧或空氣，如果用純氧作氧化劑，則其系統(tǒng)組成及控制與純氫燃料循環(huán)系統(tǒng)類似。實際運用的質(zhì)子交換膜燃料電池均采用空氣作氧化劑，并且根據(jù)不同的應(yīng)用需要，有常壓空氣和壓縮空氣兩種。

質(zhì)子交換膜燃料電池29質(zhì)子交換膜燃料電池的組成

3．質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)

（4）熱管理系統(tǒng)

水/熱管理系統(tǒng)也是質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的重要組成部分。大部分的反應(yīng)產(chǎn)物水隨著過量的空氣流從陰極排出。氧化劑的流量是質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)生反應(yīng)所需化學(xué)計量流量的2倍。由于質(zhì)子交換膜燃料電池的最佳工作溫度約為80℃，并且反應(yīng)產(chǎn)物均以液態(tài)形式存在，易于收集，因而其水管理系統(tǒng)相對較為簡單。其他類型的燃料電池的反應(yīng)產(chǎn)物水也可由陽極排出。

質(zhì)子交換膜燃料電池30質(zhì)子交換膜燃料電池的組成

3．質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)

（5）控制系統(tǒng)

。質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)由眾多子系統(tǒng)組成。每個子系統(tǒng)既獨立，又相互聯(lián)系。因此，任何一個子系統(tǒng)工作失常都將直接影響燃料電池的性能。為確保整個系統(tǒng)可靠地運行，需要由控制系統(tǒng)對各子系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制?？刂葡到y(tǒng)由各種傳感器、電子控制器及控制執(zhí)行器（閥、泵、調(diào)節(jié)裝置等）組成。

質(zhì)子交換膜燃料電池31質(zhì)子交換膜燃料電池的工作特性及影響因素

反映質(zhì)子交換膜燃料電池工作性能好壞的重要參數(shù)有工作電壓、輸出電流及輸出功率等。在燃料電池工作過程中，影響其工作特性的因素主要有燃料電池電堆本身的技術(shù)狀況、燃料電池的工作條件及燃料電池系統(tǒng)的水/熱管理。質(zhì)子交換膜燃料電池32質(zhì)子交換膜燃料電池的工作特性及影響因素1．燃料電池電堆本身技術(shù)狀況的影響

（1）膜電極的結(jié)構(gòu)、制備方式和條件。

（2）質(zhì)子交換膜的類型、厚度、預(yù)處理情況、傳導(dǎo)質(zhì)子的能力、機械強度、化學(xué)和熱穩(wěn)定性。

（3）催化劑的含量和制備方法。

（4）雙極板的結(jié)構(gòu)和流場的結(jié)構(gòu)與布置。質(zhì)子交換膜燃料電池33質(zhì)子交換膜燃料電池的工作特性及影響因素2．燃料電池工作條件的影響

（1）工作電壓、功率密度及能量效率與輸出電流的關(guān)系

（2）工作壓力的影響質(zhì)子交換膜燃料電池34質(zhì)子交換膜燃料電池的工作特性及影響因素2．燃料電池工作條件的影響

（3）工作溫度的影響質(zhì)子交換膜燃料電池35質(zhì)子交換膜燃料電池的工作特性及影響因素2．燃料電池工作條件的影響

（4）燃料氣中雜質(zhì)的影響質(zhì)子交換膜燃料電池36質(zhì)子交換膜燃料電池的工作特性及影響因素2．燃料電池工作條件的影響

（4）燃料氣中雜質(zhì)的影響質(zhì)子交換膜燃料電池37質(zhì)子交換膜燃料電池的工作特性及影響因素

3．燃料電池系統(tǒng)水/熱管理的影響

（1）水管理的影響。當(dāng)質(zhì)子交換膜燃料電池工作時，為了能同時獲得高的能量轉(zhuǎn)換效率及功率密度，就必須使質(zhì)子交換膜的導(dǎo)電性保持在最佳狀態(tài)，而這需要通過水管理來維持燃料電池內(nèi)部的水平衡，使質(zhì)子交換膜始終保持在適宜的濕潤狀態(tài)的同時，陰極又不會被水淹漬。影響水管理的主要因素有：電流密度、進入燃料氣的增濕程度、工作溫度、氣室壓力及氣體流速等。質(zhì)子交換膜燃料電池38質(zhì)子交換膜燃料電池的工作特性及影響因素

3．燃料電池系統(tǒng)水/熱管理的影響

（2）熱管理的影響熱管理的作用是控制燃料電池的工作溫度。質(zhì)子交換膜燃料電池是低溫型燃料電池，但其工作溫度仍然高于環(huán)境溫度。質(zhì)子交換膜燃料電池工作時，會產(chǎn)生大量的熱，需要采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施，并通過適當(dāng)?shù)目刂剖蛊浔３衷谶m宜的溫度。質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度不能高于100℃。質(zhì)子交換膜燃料電池39燃料電池汽車的發(fā)展概況1．燃料電池汽車的特點

（1）因燃料直接通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，無熱能轉(zhuǎn)換過程，故不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，實際能量轉(zhuǎn)換效率高達50%～70%。

（2）當(dāng)燃料電池使用氫燃料時，其排放的是水，無污染；當(dāng)使用甲醇、汽油等其他燃料時，排放的CO2比汽油機少1/2。燃料電池汽車概述40燃料電池汽車的發(fā)展概況1．燃料電池汽車的特點（3）燃料電池堆可由若干個單元電池串聯(lián)或并聯(lián)而成，可根據(jù)質(zhì)量分配均衡和空間有效利用的原則，機動靈活地進行配置。

（4）燃料電池?zé)o運動部件，振動小，噪聲低，零部件對機械加工精度要求不高。燃料電池汽車概述41視頻演示氫燃料電池汽車燃料電池汽車概述42燃料電池汽車的類型

1．按有無蓄能裝置分類

（1）純?nèi)剂想姵仄?/p>

（2）混合型燃料電池汽車燃料電池汽車概述43燃料電池汽車的類型2．按燃料電池與蓄電池的結(jié)構(gòu)關(guān)系分類

（1）串聯(lián)式燃料電池汽車（2）并聯(lián)式燃料電池汽車燃料電池汽車概述是否屬于混合動力？44燃料電池汽車的類型

3．按提供的燃料不同分類

（1）直接燃料電池汽車

（2）重整燃料電池汽車燃料電池汽車概述45

燃料電池汽車與普通燃油汽車相比，其外形和內(nèi)部空間幾乎沒有什么區(qū)別，不同之處在于動力系統(tǒng)。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理46視頻演示TOYOTA豐田燃料電池科技展示燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理47直接燃料電池汽車燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理48直接燃料電池汽車1．燃料電池系統(tǒng)

燃料電池系統(tǒng)的核心是燃料電池電堆，此外，還配備了氫氣供給系統(tǒng)、氧氣供給系統(tǒng)、氣體加濕系統(tǒng)、水循環(huán)及反應(yīng)物生成處理系統(tǒng)等，用以確保燃料電池電堆正常工作。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理49直接燃料電池汽車1．燃料電池系統(tǒng)

（1）氫氣供給系統(tǒng)

氫氣供給系統(tǒng)的功能包括氫的儲存、管理和回收。由于氣態(tài)氫需要采用高壓的方式儲存，因此，儲氫氣瓶必須有較高的品質(zhì)。儲氫氣瓶的容量決定了一次充氫的行駛里程。轎車一般采用2～4個高壓儲氫氣瓶，大客車上通常采用5～10個高壓儲氫氣瓶來儲存所需的氫氣量。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理50直接燃料電池汽車1．燃料電池系統(tǒng)

（2）氧氣供給系統(tǒng)

氧氣有純氧和空氣兩種供給方式。當(dāng)以純氧的方式供給時，需要用氧氣罐；當(dāng)從空氣中獲得氧氣時，需要用壓縮機來提高壓力，以確保供氧量，增加燃料電池反應(yīng)的速度?？諝夤┙o系統(tǒng)除了需要有體積小、效率高的空氣壓縮機外，還需配備相應(yīng)的空氣閥、壓力表、流量表及管路，并對空氣進行加濕處理，以確?？諝饩哂幸欢ǖ臐穸?。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理質(zhì)子膜只有在一定濕度下才能傳導(dǎo)氫離子。濕度太低，則膜以及立體化試劑的電導(dǎo)率都太低。導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加。電池性能下降。當(dāng)然也不是水越多越好。水太多，會造成水淹電極，導(dǎo)致氣體進入電極阻力增加。傳質(zhì)阻力增加，電池性能也不好。51直接燃料電池汽車1．燃料電池系統(tǒng)

（3）水循環(huán)系統(tǒng)

在燃料電池反應(yīng)過程中，會產(chǎn)生水和熱量，需要通過水循環(huán)系統(tǒng)中的凝縮器加以冷凝并進行氣水分離處理，部分水可用于反應(yīng)氣體的加濕。水循環(huán)系統(tǒng)還用于燃料電池的冷卻，以使燃料電池保持在正常的工作溫度。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理52直接燃料電池汽車2．輔助蓄能裝置

混合式燃料電池汽車還配備輔助蓄能裝置。輔助蓄能裝置可采用蓄電池、超級電容和飛輪電池中的一種，組成雙電源的混合動力系統(tǒng)，或采用蓄電池+超級電容、蓄電池+飛輪電池的三電源系統(tǒng)。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理53直接燃料電池汽車2．輔助蓄能裝置

（1）在燃料電池汽車起動時，由輔助蓄能裝置提供電能，帶動燃料電池起動或帶動車輛起步。

（2）在燃料電池汽車運行過程中，當(dāng)燃料電池輸出的電能大于車輛驅(qū)動所需的能量時，輔助蓄能裝置可用于儲存燃料電池剩余的電能。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理54直接燃料電池汽車2．輔助蓄能裝置

（3）在燃料電池汽車加速和爬坡時，輔助蓄能裝置可協(xié)助供電，彌補燃料電池輸出功率的不足，使電動機獲得足夠的電能，產(chǎn)生滿足車輛加速和爬坡所需的電磁轉(zhuǎn)矩。

（4）向車輛的各種電子設(shè)備、電器提供工作所需的電能。

燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理55直接燃料電池汽車2．輔助蓄能裝置

（5）在車輛制動時，將驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)換為發(fā)電機工作狀態(tài)，將車輛的動能轉(zhuǎn)換為電能，并向輔助蓄能裝置充電，以實現(xiàn)車輛制動時的能量回收。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理56直接燃料電池汽車3．驅(qū)動電動機

驅(qū)動電動機用于將電源所提供的電能轉(zhuǎn)換為電磁轉(zhuǎn)矩，并通過傳動裝置驅(qū)動車輛行駛。與純電動汽車和混合動力電動汽車一樣，燃料電池汽車用驅(qū)動電動機也可采用直流有刷電動機、交流異步電動機、交流同步電動機、永磁無刷直流電動機和開關(guān)磁阻電動機等。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理57直接燃料電池汽車4．電子控制系統(tǒng)

直接燃料電池汽車的電子控制系統(tǒng)包括燃料電池系統(tǒng)控制、DC/DC轉(zhuǎn)換器控制、輔助儲能裝置能量管理、電動機驅(qū)動控制及整車協(xié)調(diào)控制等控制功能，各控制功能模塊通過總線連接。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理58直接燃料電池汽車4．電子控制系統(tǒng)

燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理59直接燃料電池汽車4．電子控制系統(tǒng)

（1）燃料電池系統(tǒng)控制

燃料電池系統(tǒng)控制器用來控制燃料電池的燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)，并協(xié)調(diào)各系統(tǒng)工作，以使燃料電池系統(tǒng)能持續(xù)向外供電。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理60直接燃料電池汽車4．電子控制系統(tǒng)

（2）DC/DC轉(zhuǎn)換器控制

DC/DC轉(zhuǎn)換器用于改變?nèi)剂想姵氐闹绷麟妷?，由電子控制器控制。電子控制器的作用是通過調(diào)節(jié)DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，將燃料電池電堆較低的電壓上升至電動機所需的電壓。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理61直接燃料電池汽車4．電子控制系統(tǒng)

（3）輔助蓄能裝置能量管理

輔助蓄能裝置能量管理系統(tǒng)對蓄電池的充電、放電、存電狀態(tài)等進行監(jiān)控，使輔助蓄能裝置能正常地起作用，實現(xiàn)車輛在起動、加速、爬坡等工況下的協(xié)助供電，并在車輛運行時儲存燃料電池富余電能，實現(xiàn)汽車制動時的能量回饋。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理62直接燃料電池汽車4．電子控制系統(tǒng)

（4）電動機驅(qū)動控制電動機的類型不同，其控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)和工作原理也有所不同?？傮w上，電動機驅(qū)動控制系統(tǒng)的主要控制功能有：電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)、電動機工作模式控制（設(shè)有制動能量回饋的電動汽車）、電動機過載保護控制等。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理63直接燃料電池汽車4．電子控制系統(tǒng)

（5）整車協(xié)調(diào)控制

整車協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基于設(shè)定的控制策略對各控制功能模塊進行協(xié)調(diào)控制。一方面，控制器根據(jù)加速踏板傳感器、制動踏板傳感器、擋位開關(guān)送入的電信號判斷駕駛?cè)说鸟{車意圖，并輸出控制信號，通過相關(guān)的控制功能模塊實現(xiàn)車輛的行駛工況控制；另一方面，控制器根據(jù)相關(guān)傳感器和開關(guān)輸入的電信號，獲取信息，判斷車輛的實際行駛工況和動力系統(tǒng)的狀況。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理64視頻演示氫能車的構(gòu)造燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理65重整燃料電池汽車1．動力系統(tǒng)的構(gòu)成

重整燃料電池汽車與直接燃料電池汽車的主要區(qū)別在于使用汽油、天然氣、甲醇、甲烷、液化石油氣等燃料，在汽車上通過重整器產(chǎn)生氫，再將氫提供給燃料電池電堆。重整燃料電池汽車動力系統(tǒng)的基本組成如圖所示。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理66重整燃料電池汽車1．動力系統(tǒng)的構(gòu)成

燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理67重整燃料電池汽車2．重整燃料電池氫氣產(chǎn)生的過程

重整燃料電池汽車采用的燃料不同，其制氫過程（重整技術(shù)）也會有所不同。

（1）車載醇類制氫過程醇類燃料（甲醇、乙醇、二甲醚等）的車載制氫過程大體相同，均需經(jīng)重整、變換、一氧化碳脫除等幾個步驟。以甲醇為燃料的車載制氫過程如圖所示。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理68重整燃料電池汽車2．重整燃料電池氫氣

產(chǎn)生的過程燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理69重整燃料電池汽車2．重整燃料電池氫氣

產(chǎn)生的過程

（2）車載烴類制氫過程

烴類燃料（汽油、柴油、LPG及天然氣等）制氫通常包括氧化重整、高溫變換、脫硫、低溫變換、CO凈化及燃燒等過程。以汽油為燃料的車載制氫過程如圖所示。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理70重整燃料電池汽車

3．重整燃料電池汽車的優(yōu)缺點

（1）燃料電池系統(tǒng)起動時間較長，動態(tài)響應(yīng)較慢。當(dāng)然，對于配備輔助蓄能裝置的重整燃料電池汽車來說，輔助蓄能裝置可很好地解決這一問題。

（2）重整裝置不僅需要復(fù)雜的控制過程，而且其體積和質(zhì)量會減少車輛可利用的空間，增加更多的能量消耗。

（3）當(dāng)制取的氫氣純度不高時，可能會使催化劑中毒并產(chǎn)生一些污染。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理71燃料電池汽車的儲氫方式

目前的燃料電池汽車大都以純氫為燃料，為使燃料電池汽車能達到所需的續(xù)駛里程，在車上就需要有一定儲量的氫。車載儲氫主要有壓縮氫氣、液態(tài)氫和金屬儲氫三種形式。

1．壓縮氫氣形式。氫氣的密度小，需要通過壓縮來增加其儲存量。壓縮氫氣的壓力一般在20～30MPa或更高，因而要求儲氫氣瓶能承受高壓，且質(zhì)量輕、使用壽命長。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理72燃料電池汽車的儲氫方式1．壓縮氫氣形式。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理豐田燃料電池科技展示73燃料電池汽車的儲氫方式2．液態(tài)氫形式燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理74燃料電池汽車的儲氫方式3．金屬儲氫形式

利用金屬氫化物儲氫，就是將氫氣加壓至3～6MPa，使進入容器的氫在高壓下附在金屬小顆粒上，完成氫與金屬的結(jié)合，同時放出熱量。由于從金屬小顆粒中釋放出氫時，需要吸收外部的熱量。因此，金屬儲氫容器不僅需要有一定的耐壓強度，還要有足夠的換熱面積，以滿足充氫和放氫時的熱量傳遞。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理75燃料電池汽車的儲氫方式3．金屬儲氫形式

金屬儲氫相比于其他儲氫的特點如下：

（1）單位體積的儲氫容量有所提商，但單位質(zhì)量的儲氫量并不高。

（2）儲氫的壓力較低（1～2MPa），遠低于壓縮儲氫氣瓶的壓力，因而其安全性較高，降低了充氫設(shè)備的要求，充氫的能耗也較小。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理76燃料電池汽車的儲氫方式3．金屬儲氫形式

金屬儲氫相比于其他儲氫的特點如下：

（3）金屬氫化物對氫氣中少量雜質(zhì)（如O2、H2O、CO等）的敏感度高于燃料電池電極催化劑的敏感度，因此，對氫的純度要求更高了。

（4）金屬氫化物的機械強度較低，反復(fù)充放氫后會出現(xiàn)粉碎現(xiàn)象。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理77燃料電池汽車的工作方式

目前燃料電池汽車多采用燃料電池+蓄電池的混合動力模式。在電動汽車起步、加速、勻速、滑行、減速、制動等不同的行駛工況時，燃料電池的工作模式是不同的，大體可分為燃料電池模式、混合動力模式、蓄電池模式、能量回饋模式等，如圖所示。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理78燃料電池汽車的工作方式

1．燃料電池模式

當(dāng)燃料電池汽車工作在燃料電池模式時，電動機的電力全由燃料電池提供。當(dāng)蓄電池在非充足電狀態(tài)（SOC＜1），且燃料電池的電能供給電動機后尚有富余時，燃料電池還可向蓄電池充電，如圖所示。燃料電池汽車在低負荷、勻速、滑行等行駛工況時，通常工作在燃料電池模式。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理79燃料電池汽車的工作方式

1．燃料電池模式

燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理1燃料電池；2DC-DC轉(zhuǎn)換器；3電動機控制器；4電動機；5整車控制器；6蓄電池能量管理；7蓄電池；8DC-DC電子控制器；9燃料電池控制器。80燃料電池汽車的工作方式2．混合動力模式

混合動力模式是指燃料電池和蓄電池共同提供電動機所需電力的工作方式，如圖所示。在燃料電池汽車加速行駛、高速行駛、上坡或重載的情況下，當(dāng)燃料電池輸出的電功率已不能滿足驅(qū)動車輛所需的功率時，由蓄電池提供瞬時能量來補充燃料電池汽車加速、上坡的動力需要，或由蓄電池持續(xù)地協(xié)助燃料電池供電，以滿足燃料電池汽車在持續(xù)高速或重載下對電源持續(xù)電功率輸出的需求。

燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理81燃料電池汽車的工作方式2．混合動力模式燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理1燃料電池；2DC-DC轉(zhuǎn)換器；3電動機控制器；4電動機；5整車控制器；6蓄電池能量管理；7蓄電池；8DC-DC電子控制器；9燃料電池控制器。82燃料電池汽車的工作方式3．蓄電池模式

蓄電池模式是指燃料電池停止輸出電能，車輛單獨由蓄電池提供電力，如圖所示。當(dāng)燃料電池還未起動，而蓄電池的SOC值大于最小臨界值時，由蓄電池提供電動汽車起步時所需的電能。此外，當(dāng)燃料耗盡或燃料電池電堆發(fā)生故障時，若蓄電池的SOC值大于最小臨界值，則也可由蓄電池短時間內(nèi)獨立供電。工作在蓄電池模式的燃料電池汽車，對蓄電池容量和輸出功率的要求相對較高。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理83燃料電池汽車的工作方式3．蓄電池模式燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理1燃料電池；2DC-DC轉(zhuǎn)換器；3電動機控制器；4電動機；5整車控制器；6蓄電池能量管理；7蓄電池；8DC-DC電子控制器；9燃料電池控制器。84燃料電池汽車的工作方式

4．能量回饋模式

能量回饋模式是指電動機工作在發(fā)電機狀態(tài)，將車輛的動能轉(zhuǎn)換為電能，并向蓄電池充電的工作方式，如圖所示。在燃料電池汽車下坡、遇紅燈減速及非緊急制動等情況下，當(dāng)蓄電池又處于非充足電狀態(tài)（SOC值在最大臨界值以下）時，控制器就將電動機轉(zhuǎn)換為發(fā)電機工作方式，將車輛的動能轉(zhuǎn)換為電能，通過向蓄電池充電來實現(xiàn)能量回饋。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理85燃料電池汽車的工作方式

4．能量回饋模式

燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理1燃料電池；2DC-DC轉(zhuǎn)換器；3電動機控制器；4電動機；5整車控制器；6蓄電池能量管理；7蓄電池；8DC-DC電子控制器；9燃料電池控制器。86燃料電池汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配1．燃料電池汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配的基本思路

（1）選定燃料電池汽車動力系統(tǒng)構(gòu)型方式。

（2）針對選定的構(gòu)型方式，選定某種能量分配策略。

（3）動力系統(tǒng)參數(shù)匹配：以已知的整車參數(shù)、目標工況、基本能量分配策略為條件，以滿足車輛動力性為前提，以最佳經(jīng)濟性為目標，進行動力系統(tǒng)的參數(shù)匹配。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理87燃料電池汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配

2．實用的動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配方法

可將燃料電池汽車的動力系統(tǒng)分為動力源和動力驅(qū)動系統(tǒng)兩部分，如圖所示。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理88燃料電池汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配

2．實用的動力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化匹配方法

實現(xiàn)燃料電池汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配過程的具體方法有：

（1）理論計算法

（2）工況分析法

（3）仿真分析法燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理89燃料電池汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配

3．能量管理策略與優(yōu)化

對于具有兩個或兩個以上能量源的混合型燃料電池汽車，能量管理策略對車輛能量的消耗和能量源的使用壽命均有著重要的影響。能量管理策略主要包括功率分配策略、速比控制策略、制動能量回饋策略三部分。其核心是功率分配。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理90燃料電池汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配

3．能量管理策略與優(yōu)化

（1）能量管理系統(tǒng)的主要任務(wù)可歸結(jié)為以下幾點：

1）要在不損害蓄電池，并且蓄電池處于合理工作狀態(tài)的情況下，滿足車輛動力性的設(shè)計要求，以確保車輛良好的駕駛性能。2）根據(jù)駕駛?cè)说鸟{駛操作判斷其轉(zhuǎn)矩需求，再根據(jù)管理子系統(tǒng)的限制條件來確定轉(zhuǎn)矩控制指令。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理91燃料電池汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配

3．能量管理策略與優(yōu)化

3）確定燃料電池系統(tǒng)的運行狀態(tài)（包括開啟與關(guān)閉），以便通過能量管理獲得最大的燃料經(jīng)濟性。4）確定動力系統(tǒng)的驅(qū)動模式和各模式之間的轉(zhuǎn)換機制，并確定傳動系統(tǒng)的速比。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理92燃料電池汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配

3．能量管理策略與優(yōu)化

（2）能量管理系統(tǒng)的構(gòu)成

燃料電池汽車能量管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。能量管理系統(tǒng)通過相關(guān)的傳感器、開關(guān)、電壓信號獲取當(dāng)前的狀態(tài)（包括車速、蓄電池的SOC等）及駕駛?cè)说霓D(zhuǎn)矩需求信息，進行汽車最佳擋位、燃料電池開啟/關(guān)閉、制動能量回饋、功率分配等控制。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理93燃料電池汽車動力系統(tǒng)參數(shù)的匹配

3．能量管理策略與優(yōu)化

（2）能量管理系統(tǒng)的構(gòu)成燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理94燃料電池汽車的安全系統(tǒng)1.燃料電池系統(tǒng)的安全保護措施

（1）氫氣源切斷保護裝置

當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時，氫氣的泄漏將會引發(fā)嚴重的安全事故。為此，一些燃料電池汽車設(shè)置了相應(yīng)的保護裝置。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞事故時，保護裝置會根據(jù)碰撞傳感器所發(fā)出的信號及時切斷電源和氣源，以避免因氫氣泄漏而造成更為嚴重的事故。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理95燃料電池汽車的安全系統(tǒng)1.燃料電池系統(tǒng)的安全保護措施

（2）用吸能車架保護燃料電池系統(tǒng)

一些燃料電池汽車的車身、車架采取了特殊的結(jié)構(gòu)措施，以保護燃料電池系統(tǒng)在汽車發(fā)生碰撞時不易受損。本田燃料電池汽車FCX的縱梁結(jié)構(gòu)如圖所示。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理96燃料電池汽車的安全系統(tǒng)1.燃料電池系統(tǒng)的安全保護措施

燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理97燃料電池汽車的安全系統(tǒng)1.燃料電池系統(tǒng)的安全保護措施

（3）儲氫氣瓶的安全措施

儲氫氣瓶壓力高達25～35MPa。當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時，如果高壓儲氫氣瓶受損破裂，則后果將不堪設(shè)想。為此，除了選用高強度的儲氫氣瓶外，在汽車的結(jié)構(gòu)上還要考慮盡可能減小汽車碰撞時對儲氫氣瓶的沖擊。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理98燃料電池汽車的安全系統(tǒng)2.燃料電池汽車氫氣監(jiān)測系統(tǒng)

燃料電池汽車氫氣監(jiān)測系統(tǒng)通常由氫傳感器、控制器、報警及安全處理裝置等組成，如圖所示。氫傳感器將周圍氫氣含量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號，并輸送給控制器，然后控制器根據(jù)氫傳感器的信號判斷是否有氫氣泄漏及泄漏的嚴重程度，并輸出相應(yīng)的控制信號，使危險報警裝置發(fā)出危險警報，或使安全保險電路工作，及時排除安全隱患。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理99燃料電池汽車的安全系統(tǒng)2.燃料電池汽車氫氣監(jiān)測系統(tǒng)燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理100燃料電池汽車的安全系統(tǒng)2.燃料電池汽車氫氣監(jiān)測系統(tǒng)

（1）車上氫安全控制系統(tǒng)

一些燃料電池汽車的氫安全控制系統(tǒng)配備有多個氫傳感器。當(dāng)任何一個傳感器檢測到氫氣含量達到爆炸下限（體積分數(shù)為4%）的10%、30%和50%時，控制器就會發(fā)出Ⅰ級、Ⅱ級或Ⅲ級報警控制信號，使危險報警裝置工作，發(fā)出相應(yīng)的聲光報警信號。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理101燃料電池汽車的安全系統(tǒng)2.燃料電池汽車氫氣監(jiān)測系統(tǒng)

（2）車庫氫安全控制系統(tǒng)

車庫氫安全控制系統(tǒng)通常由氫傳感器、控制器、報警裝置及排/送風(fēng)裝置等組成。氫傳感器安裝在車庫的頂部。當(dāng)任何一個氫傳感器監(jiān)測到周圍空氣中氫的體積分數(shù)超過了爆炸下限的10%、30%或，50%時，氫監(jiān)測系統(tǒng)就會發(fā)出Ⅰ級、Ⅱ級或Ⅲ級報警信號。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理102燃料電池汽車的安全系統(tǒng)3.燃料電池汽車其他安全措施

（1）燃料電池汽車的防靜電措施

在燃料電池汽車加氫時或在行車過程中，不可避免地會產(chǎn)生靜電，這極易引發(fā)氫氣燃燒或爆炸。為此，一些燃料電池汽車的車體底部通常設(shè)有接地導(dǎo)線，可及時將靜電釋放回大地，以確保燃料電池汽車的安全。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理103燃料電池汽車的安全系統(tǒng)3.燃料電池汽車其他安全措施

（2）燃料電池汽車的防爆措施1）采用防爆型氫傳感器，不用觸點式傳感器。2）在氫安全系統(tǒng)中采用防爆固態(tài)繼電器。3）當(dāng)氫安全控制系統(tǒng)發(fā)出報警時，禁止進行開關(guān)電氣設(shè)備的操作。4）當(dāng)燃料電池汽車儲氫氣瓶內(nèi)存有氫氣時，嚴禁在車上進行電焊等會產(chǎn)生電弧的相關(guān)操作。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理104燃料電池汽車的安全系統(tǒng)3.燃料電池汽車其他安全措施

（3）燃料電池汽車氫安全操作規(guī)程1）嚴禁在車庫內(nèi)進行大規(guī)模的加氫操作。2）在燃料電池汽車起動前，應(yīng)檢查燃料電池系統(tǒng)管路的氣密性，確保無泄漏。燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理105燃料電池汽車的安全系統(tǒng)3.燃料電池汽車其他安全措施

（3）燃料電池汽車氫安全操作規(guī)程3）在調(diào)試及燃料電池汽車起動前，應(yīng)用氮氣吹掃管路，并且在調(diào)試時必須由專人配備便攜式氫含量探測儀來檢查氫泄漏情況。4）雷雨天氣禁止做系統(tǒng)的調(diào)試及其他相關(guān)的操作。5）當(dāng)發(fā)現(xiàn)安全問題時，必須立即停止調(diào)試。

燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)與原理106豐田燃料電池汽車1.豐田FCHV-4型燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)燃料電池汽車實例107豐田燃料電池汽車1.豐田FCHV-4型燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)

燃料電池汽車實例108豐田燃料電池汽車2.豐田FCHV-4型燃料電池汽車的動力系統(tǒng)

豐田FCHV-4型燃料電池汽車的動力系統(tǒng)如圖所示，按功能可分為兩部分：燃料電池系統(tǒng)和混合動力系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)是使汽車行駛的動力源，混合動力系統(tǒng)高效地運用燃料電池系統(tǒng)的輸出動力。燃料電池汽車實例109豐田燃料電池汽車燃料電池汽車實例110豐田燃料電池汽車2.豐田FCHV-4型燃料電池汽車的動力系統(tǒng)

（1）燃料電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池組、燃料供給系統(tǒng)部件和冷卻系統(tǒng)部件。

（2）混合動力系統(tǒng)。混合動力系統(tǒng)包括燃料電池系統(tǒng)、輔助電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器/電機。燃料電池汽車實例111豐田燃料電池汽車2.豐田FCHV-4型燃料電池汽車的動力系統(tǒng)

燃料電池汽車實例112豐田燃料電池汽車2.豐田FCHV-4型燃料電池汽車的動力系統(tǒng)

（3）動力傳動過程

下圖表示各種行駛方式和動力流程。

1）低動力方式。燃料電池