新能源汽车-5-燃料电池电动汽车

新能源汽车第五章燃料电池电动汽车第一节燃料电池电动汽车的类型与基本结构第二节燃料电池汽车的发展历史及现状第五章燃料电池电动汽车第一节燃料电池电动汽车的类型与基本结构一、燃料电池类型及其性能分析燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等。1．质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极（阳极、阴极）、质子交换膜和集流板组成。2．碱性燃料电池碱性燃料电池的电解质为碱性的氢氧化钾（KOH），故称为碱性燃料电池。碱性燃料电池一般以石墨、镍和不锈钢作为碱性燃料电池的结构材料。碱性燃料电池按燃料性质不同，化学反应温度为80～260℃。3．磷酸燃料电池磷酸燃料电池是以磷酸为电解质，故称为磷酸燃料电池。磷酸燃料电池以磷酸（100%）为电解质。是由燃料电极、隔板、隔膜、空气电极氧电极和冷却板组成。4．熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）通常采用含锂和钾的碳酸盐为电解质，阴极为镍的氧化物，阳极为镍合金，正常工作温度为650oC。在这样高的温度下，电池阴阳极电化学反应都很快，不需要使用贵金属作催化剂，通常以氧化镍为主。5．固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池的电解质是固体氧化物，催化剂和电池的结构材料，也都是固体氧化物。故称为固体氧化物燃料电池。燃料电池的结构材料，用Al2O3、Ca0.1Zr0.9O2固体氧化物作为结构材料支撑管。固体氧化物燃料电池在燃烧反应过程中的温度可达800～1000℃。可以直接使用甲醇和烃类燃料。二、燃料电池电动汽车的类型与其结构燃料电池汽车定义：燃料电池电动汽车（FCEV）是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下在燃料电池中经电化学反应产生的电能，并作为主要动力源驱动的汽车。1．燃料电池单独驱动FCEV优点：（1）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。缺点：（1）燃料电池功率大、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的要求；（3）不能进行制动能量回收。2．燃料电池与辅助蓄电池联合驱动FCEV优点：（1）由于增加了比功率价格相对低廉得多的蓄电池组，系统对燃料电池的功率要求较纯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）制动能量回馈的采用可以回收汽车制动时的部分动能，该措施可能会增加整车的能量效率。缺点：（1）蓄电池的使用使得整车的质量增加，动力性和经济型受到影响，这一点在能量复合型混合动力汽车上表现更为明显；（2）蓄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。3．燃料电池与超级电容联合驱动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的FCEV这种结构的优点相比燃料电池+蓄电池的结构形式的优点更加明显，尤其是在部件效率，动态特性，制动能量回馈等方面。而其缺点也一样更加明显：（1）增加了超级电容，系统质量将可能增加；（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。三、燃料电池电动汽车的关键技术1．燃料电池系统燃料电池是燃料电池汽车发展的最关键技术之一。燃料电池技术发展趋势可用耐久性、低温启动温度、净输出比功率以及制造成本四个要素来评判。2．车载储氢系统储氢技术是氢能利用走向规模化应用的关键。目前，常见的车载储氢系统有高压储氢、低温储存液氢和金属氢化物储氢三种基本方案。3．车载蓄电系统车载蓄电系统包括铅酸电池、镍氢蓄电池、锂离子电池等蓄电池及电化学超级电容器。4．电机及其控制技术驱动电机是燃料电池电动汽车的心脏，它正向着大功率、高转速、高效率和小型化方向发展。5．整车布置燃料电池汽车在整车布置上存在以下关键问题：燃料电池发动机及电机的相关布置动力电池组的车身布置、氢气瓶的安全布置高压电安全系统的车身布置问题。6．能源动力系统的能量管理策略能量管理策略对燃料经济性影响很大，且受到动力系统参数和行驶工况的双重影响。完成能量管理策略的工况适应性开发后，其核心问题转变为功率分配优化，四、燃料电池汽车的优势及其问题1.燃料电池汽车的独特优势1）清洁无污染2）燃料补充方便，快捷，续航力远超普通纯电动汽车。3）效能高。4）动力性能优异。2.燃料电池汽车的存在的问题（1）性能与成本问题（2）燃料供应与基础设施问题第二节燃料电池汽车的发展历史及现状一、燃料电池的发展历史燃料电池在大规模产业化之前，已经有很长的发展历史。1839年格罗夫（WillianGrove）发明了第一个燃料电池，是把封有铂电极的玻璃管浸在稀硫酸中，先由电解产生氢和氧，接着连接外部负载，这样氢和氧就发生电池反应，产生电流。20世纪30年代末，F.T.Bacon（培根）的AFC研究工作方为燃料电池创立了声名，并在60年代早期第一个应用于太空计划，其改进后被作为阿波罗登月计划的宇宙飞船用电池。Bacon电池使燃料电池由实验走向实用，具有里程碑意义。二、燃料电池电动汽车的国外发展现状国外的燃料电池技术发展比较早，20世纪六七十年代美国首先将燃料电池应用于航空航天领域，此后燃料电池逐渐向民用领域发展。美国能源部组织的国家燃料电池汽车研究计划；以巴拉德动力系统公司的技术为依托，由戴姆勒克莱斯勒公司、福特汽车公司等跨国公司投资合作的燃料电池汽车项目。在1998年1月北美底特律国际汽车展上福特展出了P2000燃料电池概念车，使用了DBB公司生产的燃料电池堆，时速可达144.8km/h。1994年戴姆勒奔驰公司与Ballard合作推出了第一辆FCEV车型为NECAR1和NECAR1，采用MB190厢式车体，装载Ballard生产的50kW质子交换膜燃料电池，一次填充燃料续驶里程为130km，最高车速90km/h。1968年通用推出的Electrovan是世界上第一辆FCEV。2002年推出了全新的概念车型HY-WIRE，该车采用线控驾驶技术，它的燃料电池、电机和控制器全部集成在11英寸厚的板状底盘中丰田研究FCEV始于1992年，1996推出了第一款FCEV车型RAV4FCEV，该车采用金属氢化物储氢技术，一次填充燃料续驶里程250km，最高车速100km/h。三、燃料电池电动汽车的国内研究现状我国政府也非常重视燃料电池发电技术的研究，科技部1997年将燃料电池列为“九五”重大科技攻关项目，“十五”国家重大科技专项之一的”电动汽车专项”将燃料电池汽车列为重要内容，国家投入近9亿元。“十一五”期间，国家继续支持“节能与新能源汽车”的研究，主要包括电动车重大专题和能源领域中的高温燃料电池。小阅读：燃料电池电动汽车典型车型1.我国研发的燃料电池汽车2002年5月，上海燃料电池汽车动力系统公司与同济大学新能源汽车工程中心试制成功“春晖1号”燃料电池电动汽车。2004年，武汉理工大学与东风公司合作研制成功25kW燃料电池电动轿车——“楚天一号”，2004年6月，由上汽集团、同济大学联合开发的我国第二代燃料电池轿车——“超越2号”，随后又开发了“超越3号”和“超越4号”燃料电池汽车。2.本田FCXlarity燃料电池汽车本田FCXlarity燃料电池汽车本田独创的垂直系统单元结构（VFlow）燃料电池堆技术为核心，实现了燃料电池车所特有的独特外观设计和划时代的驾乘感觉。，与上一代FCX搭载的HondaFC燃料电池箱相比，功率由86kW提高至100kW，最大扭矩达到256N•ｍ3.丰田新型燃料电池混合动力车”FCHV-adv”丰田新型燃料电池混合动力车”FCHV-adv”的动力系统由燃料电池和镍氢蓄电池组成。除了提高燃料电池车性能外，还降低了系统辅助装置的能耗，并且改进了再生制动系统，使燃料效率比原FCHV提高25%。4.梅赛德斯-奔驰Citaro燃料电池公共汽车梅赛德斯-奔驰Citaro公共燃料电池汽车外形尺寸为11.95×2.55×3.7m，可乘坐70人。该车采用PEM氢燃料电池，以氢气为核心燃料，并应用600V电动机加以驱动，其输出范围可达到200千瓦（269马力）。最高车速可达80km/h，耗氢量为17~23kg/100km，一箱燃料可以行驶200~250km5.现代途胜燃料电池汽车现代途胜燃料电池汽车搭载了最大功率27hp的电动马达，以及16万立方厘米的压缩氢气储存量。同时据现代的说法，这台氢气燃料车的行驶距离高达600多km。6.雪佛兰Equinox燃料电池汽车雪佛兰Equinox燃料电池汽车使用了通用第四代氢燃料电池系统，该燃料电池组由440块串联电池组成，电力输出可达93kW，在车载73kW同步电动机的共同驱动下，0~100km/h的加速只要12s，最高时速可达160km/h。