燃料电池汽车资料.ppt

燃料电池汽车,1.概述2.燃料电池汽车的特点3.燃料电池汽车发展现状4.燃料电池汽车的类型和特点5.燃料电池汽车的结构原理6.燃料电池汽车底盘布置7.车用燃料电池急需解决的关键问题,主要内容,1.概述,燃料电池汽车（FEEV）是电动汽车的一种，它的工作原理是在汽车搭载的燃料电池中，使作为燃料的氢与空气中的氧发生化学反应，从而产生出电能启动电动机，进而驱动汽车。甲醇、天然气和汽油也可以替代氢，不过将会产生极度少的二氧化碳和氮氧化物。但总的来说，这类化学反应除了电能就只产生水。因此燃料电池车被称为“地道的环保车”。,燃料电池汽车的氢燃料能通过几种途径得到。有些车辆直接携带着纯氢燃料，另外一些车辆有可能装有燃料重整器，能将甲醇、天然气、汽油等烃类燃料转化为富氢气体。单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。,2.燃料电池汽车的特点,优点：1）效率高。燃料电池的工作过程是化学能转化为电能的过程，不受卡诺循环的限制，与传统汽车相比，能量转换效率可高达60%-80%。2）续驶里程长。采用燃料电池系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长途行驶能力及动力性已经接近于传统汽车。3）绿色环保。燃料电池没有燃烧过程，以纯氢作燃料，生成物只有水，属于零排放。采用其它富氢有机化合物用车载重整器制氢作为燃料电池的燃料，生产物除水之外还可能有少量的CO2，接近零排放。,4）过载能力强。燃料电池除了在较宽的工作范围内具有较高的工作效率外，其短时过载能力可达额定功率的200或更大。5）低噪音。燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统以外无其它运动部件，因此与内燃机汽车相比，运行过程中噪音和振动都较小。6）设计方便灵活。燃料电池汽车可以按照XByWire的思路进行汽车设计，改变传统的汽车设计概念，可以在空间和重量等问题上进行灵活的配置。,缺点：1）燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高。2）辅助设备复杂，且质量和体积较大。3）起动时间长，系统抗振能力有待进一步提高。,面临问题：1）造价高，技术要求高 2）氢气的制备、储存和运输3）加氢站等基础设施建设,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。,3.1国外燃料电池汽车发展现状,2011年美国财政预算中安排5000万美元用于燃料电池和氢能技术研发。通用汽车开发全新的一代氢燃料电池系统，该系统应用在雪佛兰Equinox 燃料电池车上。与以往燃料电池系统相比，新一代氢燃料电池体积缩小了一半，质量减轻了100 kg，铂金用量仅为原来的1/3，下降到30 g，燃料电池的成本大幅度下降。2012年6月德国主要的汽车和能源公司与政府一起建立了广泛的全国氢燃料加注网络，预计到2015 年，全国建成1000个加氢站，开始实现燃料电池动力汽车的大规模商业化，到2020年将有超过50万辆燃料电池汽车投入使用。2011年1月，奔驰公司研发的3辆燃料电池原型车，横跨4大洲、14个国家，完成绕地球行驶1周的创举，验证了燃料电池轿车性能已经达到了传统轿车的性能，具备了产业化推广的能力。,2010年5月法国开发出使用“运程”燃料电池的电动汽车“Fever”，它以低温储存的氢和空气作燃料，发电功率达20kW，电压为90V，且采用先进的电子控制系统对电力系统进行控制，并把制动时产生的能量储存在蓄电池里，以备汽车起动或加速时使用。韩国现代已经推出第三代燃料电池电动车ix35。ix35完全由氢燃料电池驱动，这款零排放SUV是在2010年由200多名设计师在韩国现代的燃料电池研发中心设计完成并在2013年小规模量产。该SUV 采用了100 kW燃料电池，24kW锂离子电池，100kW电机，70MPa的氢瓶可以储存5.6 kg 氢气，新欧洲行驶循环循环工况续驶里程高达588km，最高车速达160 km/h。,全球范围看，日本的燃料电池汽车研发水平处于全球领先，尤其是丰田汽车公司，在燃料电池汽车的耐久性、寿命和成本方面逐步超越了美国和欧洲。2014年11月丰田发布全新一代氢燃料电池汽车Mirai（未来），该车每次加注氢燃料只需三分钟并且巡航里程可以达到500公里以上。它的最大输出功率为113千瓦，峰值扭矩为335牛米，十秒内可以完成百公里加速。,丰田新一代氢燃料电池汽车Mirai,3.2国内燃料电池汽车发展现状,在国家节能与新能源汽车重大项目支持下，我国燃料电池汽车技术研发取得重要进展，基本掌握了整车、动力系统与关键零部件的核心技术；建立了具有自主知识产权的燃料电池汽车动力系统技术平台；形成了燃料电池发动机、动力电池、DC/DC变换器、驱动电机、储氢与供氢系统等关键零部件配套研发体系，具有百辆级燃料电池汽车动力系统平台与整车生产能力。目前我国自主研发的新一代燃料电池汽车动力系统的性能得到进一步优化与提高。主要表现在：燃料电池发动机功率从40 kW 提高到55 kW；动力蓄电池容量从48 kWh 减小到26 kWh；电机功率从60 kW 提高到90 kW；电机控制器(DC/AC)功率提高35%，体积比功率增加12.5%。同时，动力系统继续保持燃料经济性的技术优势，在车辆整备质量增加近250 公斤的前提下整车动力性明显提高，燃料经济性则仍然保持在1.2 kg/(100 km)的原有水平。2008年奥运会，23辆燃料电池汽车示范运行7.6万公里。到了2010年世博会，这个数字上升到196辆和91万公里。,4.燃料电池汽车的类型和特点,4.1纯燃料电池驱动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。,纯燃料电池驱动结构特点优点：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缺点1）燃料电池功率大，制造成本较高和整车质量增加，引起整车消耗的能量和功率增加2）尽管燃料电池系统效率较高，但这种电池结构氢气的消耗量较大，从而使用成本较高3）燃料电池的动态响应和可靠性难以满足车辆的要求4）系统无法实现制动能量的回收，造成较大浪费,4.2燃料电池与辅助蓄电池联合驱动(FC+B)这种结构在燃料电池驱动模式的基础上增加了一组蓄电池和DC/DC变换器。燃料电池为主动力源，蓄电池的功能是回收汽车制动能量以及为汽车起动、加速、爬坡等过程提供补充能量。,(FC+B)结构的特点优点：1）降低对燃料电池的功率要求2）燃料电池可在比较好的设定的工作条件下工作，工作时效率较高3）系统对燃料电池的动态响应性能要求较低4）汽车的冷起动性能好5）实现制动能量的回馈缺点：1）动力电池使整车质量增加，动力性和经济性受到影响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,采用FC+B的双动力源结构的主要原因：1）当前燃料电池的动态性能欠佳，而汽车的而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。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，适当减小燃料电池的额定功率，用辅助电池来弥补不足的功率输出，可以在一定程度上降低整车成本。,4.3燃料电池与超级电容联合驱动(FC+C)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。随着超级电容技术的不断进步，这种结构将成为一种新的重要研究方向。,(FC+C)结构特点优点：1）由于超级电容能快速充电和快速放电，所以可以利用超级电容高效迅速地回收汽车制动时产生的再生能量2）超级电容有负载均衡作用，放电电流减少从而使电池的利用能量、循环寿命得到提高，降低了使用成本3）FC+C结构简单，解决了汽车冷起动和加速爬坡的难题，充分发挥超级电容的优势缺点：1）超级电容储存的能量有限，即比能量极低，只能持续提供1分钟的峰值功率,4.4燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动(FC+B+C)这种结构是在FC+B的基础上，在电源总线上再并联一组超级电容。电容可以提供加速所需的尖峰电流或吸收紧急制动的尖峰电流，保护蓄电池防止过充。,(FC+B+C)结构的特点优点：1）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。进一步降低对燃料电池和蓄电池的功率要求2）在寒冷环境下，当蓄电池不能产生足够大的电流驱动汽车时，蓄电池可以对超级电容器进行小电流充电，让超级电容提供足够的起动功率，这样可以减少蓄电池的数量和单个电池的容量，减轻蓄电池负担3）再生起动时，超级电容接收回馈能量，减少蓄电池的充放电次数，延长蓄电池使用寿命,缺点：1）增加超级电容，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,5.燃料电池汽车的结构原理,燃料电池电动汽车的动力系统主要由燃料电池、辅助动力源、电动机和动力电控系统等组成。,5.1燃料电池广泛应用于电动汽车的燃料电池是一种称为质子交换膜的燃料电池(PEMFC)，它以纯氢为燃料，以空气为氧化剂，不经历热机过程，不受热力循环限制，因此能量的转换效率高，是普通内燃机热效率的23倍。同时，它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性，使得质子交换膜的燃料电池非常适合用作交通工具的动力源。,质子交换膜氢气燃料电池质子交换膜氢气燃料电池由膜电极（阳极、阴极）、质子交换膜和集流板组成。,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：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：,电池总反应：,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,燃料电池按燃料的供应方式分类，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。,5.2辅助动力源在燃料电池汽车上燃料电池是主要电源，有一些厂商设计生产的燃料电池汽车还配备有辅助动力源。根据其设计方案不同，其所采用的辅助动力源也有所不同，可以用蓄电池组、飞轮储能器或超大容量电容器等共同组成多电源系统。,5.3电动机电动机是所有电动汽车必不可少的关键部件。目前使用较多的有直流有刷、永磁无刷、交流感应、开关磁阻和目前较先进的电动轮(又称轮毂电机)5种电机。,6.燃料电池汽车底盘布置燃料电池动力总成包括:氢气罐总成、蓄电池总成、燃料电池堆总成、动力输出系统总成等。其中,储氢罐一般放置于底盘的中部,或后排座椅的下方空间(传统内燃机轿车的油箱位置),将氢气罐分散存储。除了燃料电池动力总成外,对汽车制动总成、前后悬架总成及轮胎等方面也应作相应的调整和测试。特别是随着轮毂电机技术的发展,使燃料电池汽车在电动机的放置有了新的选择,增大了汽车内部空间。而各电动轮的驱动力也可直接控制,提高恶劣路面条件下汽车的行使性能。底盘布置应把绝大多数的负载均匀分配在底盘的前后端,降低车辆的总体重心,使轿车具有良好的操控性能,并改善车辆的整体安全性。,7.车用燃料电池急需解决的关键问题1)提高车用燃料电池单位质量(或体积)、电流密度及功率，提高动力车辆所必需的快速起动和动力响应的能力。2)必须开发质量轻、体积更小、能储存更多氢能的车载氢储存器具，以便更有效地利用燃料能量，提高续驶里程和载质量。3)必须解决好氢气的安全问题。研究表明：在一定的条件下，氢气比汽油具有更大的危险性，所以无论采用什么储存方式，储存器具及其安全措施都必须满足使用要求。4)电池组件必须采用积木化设计，开发有效的制造工艺，并进行高效的自动化生产，从而降低材料和制造费用。5)发展结构紧凑及性能可靠的PEMFC的同时开发应用其它燃料，像甲烷、柴油等驱动的PEMFC，这将会拓宽PEMFC的应用范围。,