项目五 燃料电池汽车的认知（课件） -《新能源汽车概论》同步教学（机工版.第2版）

项目五 燃料电池汽车的认知 学习目标 理解燃料电池汽车的基本概念，熟悉燃料电池的工作原理 了解燃料电池的类型 了解燃料电池汽车的优缺点 通过典型车型，了解燃料电池汽车技术发展过程与趋势 学习任务描述 燃料电池也是电池，那么燃料电池汽车与纯电动汽车的区别是什么？燃料电池作为汽车的动力来源，它是如何工作的？ 学习课题 一. 燃料电池汽车基础知识 二. 燃料电池汽车的工作原理与结构 三. 燃料电池汽车的实例 引导问题1：什么是燃料电池汽车？ 燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。 其核心部件是燃料电池，燃料电池是一种能够持续的通过发生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能转化为电能的能量转换装置。 燃料电池与常规电池的区别在于，它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要持续供应，燃料电池就会不断提供电能。 燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。 引导问题2：燃料电池汽车有哪些优缺点？ 与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点： 1）燃料电池的能量转换效率极高。 2）零排放或近似零排放。 3）车辆性能接近内燃机汽车。 4）结构简单、运行平稳  燃料电池与内燃机效率对比 引导问题2：燃料电池汽车有哪些优缺点？ 虽然氢燃料电池汽车在环保方面有很大的优势，但是它还处于发展的初级阶段。如限制其发展的主要因素有： 1）生产成本高 目前，不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还有碳水化合物经过重整后转换的氢是燃料电池的唯一燃料。氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求很高。燃料电池的燃料的生产、运输、储存等成本较高。 2）使用配套不足 由于氢燃料的生产、储存、运输等都存在一定的安全隐患，因此加氢站等基础网络设施建设相对落后，这制约着燃料电池汽车的推广。 3）需要配备辅助电池系统  燃料电池可以持续发电，但不能充电和回收再生制动的反馈能量。通常在燃料电池汽车上须增加辅助电池，来储存燃料电池富裕的电能和在燃料电池汽车减速时接受再生制动时的能量。 引导问题3：燃料电池的基本原理？ 燃料电池的组成及其反应特征 燃料电池由阳极、阴极和离子导电的电解质构成，其工作原理与普通电化学电池类似，燃料在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，电子从阳极通过负载流向阴极构成电回路，产生电流。 燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。二个电极被一个位于它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上，催化剂常用来加速电化学反应。 引导问题4：燃料电池有哪些类型？ 根据不同分类形式，燃料电池可分为多种： 1 按电解质类型分类 常分为：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane，PEMFC）以及甲醇燃料电池等。 2 按燃料电池发展分类 把磷酸燃料电池称为第一代燃料电池，把熔融碳酸盐燃料电池称为第二代燃料电池，把固体氧化物燃料电池称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。 3 按燃料电池工作温度分类 把碱性燃料电池、固体高分子型质子膜燃料电池和磷酸型燃料电池称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池和固体氧化型燃料电池称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。 学习课题 一. 燃料电池汽车基础知识 二. 燃料电池汽车的工作原理与结构 三. 燃料电池汽车的实例 引导问题1：燃料电池汽车有哪些结构类型？ 燃料电池汽车的结构多种多样，通常按动力源的组成进行分类。燃料电池汽车的动力源通常包括燃料电池系统（Fuel Cell）、蓄电池（Battery）、超级电容（Capacitor）。 ①纯燃料电池驱动（Pure Fuel Cell，PFC）的燃料电池电动汽车； PFC汽车结构原理图 纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。但由于燃料电池无法实现充电，因此无法实现电动汽车的制动能量回收。 引导问题1：燃料电池汽车有哪些结构类型？ ②燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV； 在该动力系统结构中，燃料电池和蓄电池一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，从而驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池将储存回馈的能量。 FC+B电动汽车结构原理图 引导问题1：燃料电池汽车有哪些结构类型？ ③燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV； 这种结构形式与燃料电池+蓄电池结构相似，只是把蓄电池换成超级电容。相对于蓄电池，超级电容充放电效率高，能量损失小，比蓄电池功率密度大，在回收制动能量方面比蓄电池有优势，循环寿命长，但是超级电容的能量密度较小。 ④燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）的FCEV 燃料电池、蓄电池和超级电容一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系，驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。 FC+B+C电动汽车 引导问题2：燃料电池汽车的总体结构 下图为典型燃料电池汽车结构示意图。它通常包括燃料电池系统、电机、蓄电池（超级电容）等功能部件组成。燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。 引导问题3：燃料电池汽车的工作原理 高压储氢罐中的氢气和空气中的氧气在汽车搭载的燃料电池中发生氧化还原化学反应，产生电能驱动电机工作，驱动电机产生的机械能经变速传动装置传给驱动轮，驱动汽车行驶。 引导问题5：典型燃料电池汽车的主要性能指标 车辆名称 丰田第一代Mirai 丰田第二代Mirai 本田Clarity Fuel Cell 轴距mm 2780 2920 2750 乘坐人数／人 4 5 5 续驶里程（日本JC08工况）／km 650 850 750 最高车速／（km／h） 175 175 165 燃料电池 种类 PEMFC PEMFC PEMFC 峰值功率／kW 114 128 103 电池堆能量密度／（kW/L） 3.1 4.4 3.1 电动机 种类 交流同步电机 交流同步电机 交流同步电机 最大转矩／（N·m） 335 300 300 最大功率／kW 113 134 130 燃料 种类 压缩氢气 压缩氢气 压缩氢气 储氢量kg 4.6 5.6 5 储气压力／MPa 70 70 70 辅助蓄能装置 镍氢电池 锂离子电池 锂离子电池 引导问题6：燃料电池汽车需要解决哪些关键技术？ 1 氢燃料的制取、储存和运输 2 燃料电池汽车整车布置 燃料电池汽车在整车布置上存在以下关键问题： 1）燃料电池发动机及电机的相关布置； 2）动力电池组的车身布置、氢气瓶的安全布置； 3）高压电安全系统的车身布置问题。 这些核心部件的布置，不仅要考虑布置方案的优化及零部件性能实现的便利，还要求相关方案必须考虑传统汽车不具备的安全性问题。 燃料电池发动机自身的运行温度为 左右，实际的散热系统工作温度大致可以控制在 ，必须依赖整车动力系统提供额外的冷却动力为系统散热。 学习课题 一. 燃料电池汽车基础知识 二. 燃料电池汽车的工作原理与结构 三. 燃料电池汽车的实例 引导问题1：丰田Mirai燃料电池汽车——车型简介 引导问题1：丰田Mirai燃料电池汽车——主要结构 Mirai 车辆采用了燃料电池和动力电池 2 种能量来源相结合的组合方式。丰田将这套系统称之为 TFSC （Toyota FC Stack），它是以燃料电池堆栈为主要核心组件的动力系统，燃料电池通过转换器与电路总线相连接，动力电池与燃料电池之间经过逆变器转化后将电能输送给驱动电机 第二代Mirai燃料电池堆由330节燃料电池发电单体串联组成，峰值功率为128kW，体积功率密度达到5.4kW/L。搭载的储氢罐数量从第一代的2个增至3个，搭载储氢容积总计141L，氢气搭载量扩大约20%，工作压力70MPa，续航里程达到850km（WLTC工况），支持L2级自动驾驶。 引导问题1：丰田Mirai燃料电池汽车——工作过程 工作过程： （1）氧气从车辆前进气格栅进入燃料电池内，将与氢气发生反应； （2）储氢罐中的氢气进入燃料电池内，将与氧气发生反应； （3）氢气和氧气在燃料电池中发生化学反应生成水和电能； （4）生成的电能供给驱动电机使用； （5）驱动电机利用电能驱动车辆； 引导问题2：本田 Clarity Fuel Cell 2013年，现代汽车推出了首款量产氢燃料电池车ix35 FCEV。2018年，新一代氢燃料电池汽车NEXO问世，如图所示。现代NEXO在前机舱内部配备最大功率为95kW的氢燃料反应堆，其储氢罐可储存3.99kg的液态氢，在CLTC工况下续航里程达596km，与传统燃油车满油续航相当，注氢时间只需要5分钟便能加满。 现代NEXO燃料电池汽车采用动力电池组和燃料电池堆并联的混动架构，高压电池系统放置于车身尾部。爬坡和加速时，燃料电池和动力电池同时供电，通过逆变器向驱动电机提供动力输出；正常行驶时，燃料电池输出，给动力电池充电，同时通过逆变器向驱动电机提供动力输出；下坡和减速时，驱动电机通过逆变器向动力电池回收能量。 引导问题3：现代NEXO燃料电池汽车 动力方面，奔驰GLC F-CELL搭载了氢燃料电池和锂离子电池的插电式混动系统。由400片燃料电池单体组成的金属极电堆峰值功率达到75 kW，锂离子电池组容量为13.5kw.h。采用全球标准化的70 Mpa储氢瓶技术，两个碳纤维罐氢瓶分别位于底盘和后排座椅下方，储氢容量达到4.4kg，此外，还配备了7.4 kw车载充电机，可在1.5小时内将锂电池容量从10%充至100%。 引导问题4：奔驰GLC F-CELL燃料电池汽车 引导问题4：奔驰GLC F-CELL燃料电池汽车 奔驰GLCF-CELL燃料电池发动机主要包括75kW燃料电池堆、电动涡轮增压空压机、膜式加湿器、氢循环、升压转换器、空气滤清器、离子交换器、12V水泵和燃料电池控制单元等。 引导问题5：我国典型燃料电池汽车简介 2000年代我国开发的超越号燃料电池汽车系列 引导问题5：我国典型燃料电池汽车简介 上汽大通 FCV 80燃料电池汽车，采用上汽新一代氢燃料电池系统，配备的是以氢燃料电池系统为主、动力蓄电池组（14.3kWh）为辅的“插电式氢电混合动力系统”。 引导问题5：我国典型燃料电池汽车简介 长安深蓝SL03燃料电池汽车及燃料电池堆 2022年，中国首款量产氢燃料电池轿车长安深蓝SL03氢电版上市，其CLTC工况续航里程可达730km。 引导问题5：我国典型燃料电池汽车简介 上汽红岩氢燃料重卡搭载PROME P390燃料电池系统，采用35MPa储氢系统，峰值功率达到250kw，在极寒地区得到全面考验，其极端工况下的功率、热平衡、响应速率和低温启动等各项技术指标，目前均已达到国际一流水平。 请同学们通过资料查阅、现场认知，小组合作讨论共同完成本项任务。 求实创新 精益求精 【课中实践】 求实创新 精益求精 欢迎观看 欢迎观看 $$