1、燃料電池汽車結(jié)構(gòu)組成與工作原理分析讀書報告 班級：車輛工程0705 學(xué)號： 3070401138 姓名： 陸 濤 內(nèi)燃機汽車的發(fā)展是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)最重大的成就之一。然而，高度發(fā)展的汽車工業(yè)和持續(xù)大量汽車的應(yīng)用，在全球已經(jīng)引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境和碳?xì)滟Y源問題：大氣質(zhì)量的惡化、全球變暖以及石油資源的匱乏成為了現(xiàn)代生活必須認(rèn)真對待的威脅：日益嚴(yán)格的排放和燃料效率的標(biāo)準(zhǔn)促進了安全、清潔和高效車輛的迅猛發(fā)展：當(dāng)今人們公認(rèn)電動汽車、混合動力電動汽車和由燃料電池供電的各類驅(qū)動系的技術(shù)應(yīng)用科學(xué)是最有指望在可預(yù)見的未來解決車輛問題的辦法。為滿足這一需要，在美國和全世界，不斷增多的工程學(xué)院已在大學(xué)生和研究生培養(yǎng)中設(shè)立了現(xiàn)

2、代能量和車輛技術(shù)應(yīng)用科學(xué)專業(yè)。以下筆者將對燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)組成和工作原理做一個淺顯的讀書報告。采用燃料電池作電源的電動汽車稱為燃料電池電動汽車fcev（fuel cell electric vehicle），最早的fcev是燃料電池大客車fcev（fuel cell electric bus）。早期的fcev的 燃料電池本身和他的附屬設(shè)備的質(zhì)量重，體積大，占據(jù)了大客車很大部分的裝載空間，幾乎沒有乘客乘坐的空間 ，給fcev的總布置帶來很大的困難。近年來燃料電池不斷地向小型化方向發(fā)展，使得燃料電池成功地裝置到各種類型的車輛上。 1.甲醇儲存罐 2.散熱器 3.改質(zhì)器 4.h2、co分離器 5.

3、循環(huán)泵 6.燃料電池組(堆)7.控制系統(tǒng)8.蓄電池組9.dc/dc轉(zhuǎn)換器 早期的fcevfcev是一種地面車輛，仍然保留了車輛的行駛系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等。fcev是以電力驅(qū)動為惟一的驅(qū)動模式，其電氣化和自動化的程度大大高于內(nèi)燃機汽車，早期用內(nèi)燃機汽車底盤改裝的fcev，在汽車底盤上布置了氫氣儲存罐或甲醇改質(zhì)系統(tǒng)，燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)等總成和裝置，在進行總布置時受到一些局限。新研發(fā)的fcev采用了滑板式底盤，將fcev的氫氣儲存罐和供應(yīng)系統(tǒng)、燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)、電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等，統(tǒng)統(tǒng)裝在一個滑板式的底盤中，在底盤上部可以布

4、置不同用途的車身和個性化造型的車身。采用多種現(xiàn)代技術(shù)，以計算機控制為核心和電子控制的“線傳”系統(tǒng)（control-by-wire) ，can總線系統(tǒng)等，使新型燃料電池電動車輛進入一個全新的時代。fcev按主要燃料種類可分為:以純氫氣為燃料的fcev；以甲醇改質(zhì)后產(chǎn)生的氫氣為燃料的fcev。 1.驅(qū)動輪 2.驅(qū)動系統(tǒng) 3.驅(qū)動電動機 4.逆變器 5.輔助電源(蓄電池、超級電容器) 6.燃料電池發(fā)動機 7.空氣壓縮機和空氣加 濕裝置 8.氫氣管理系統(tǒng) 9.中央控制器 10.dc/dc轉(zhuǎn)換器 11.氫氣儲存罐 12.燃燒器和改質(zhì)器 13.甲醇儲存罐 14. h2凈化器 fcev的基本類型fcev按“

5、多電源”的配置不同，可分為:純?nèi)剂想姵豧cev；燃料電池與蓄電池混合電源的fcev；燃料電池與蓄電池和超級電容器混合電源的fcev。后2種多電源的配置方式是fcev的主要配置方式。輔助電源用于提供起動電流和回收制動反饋的電能。 fcev采用的主要電源和輔助電源分類 燃料電池的工作原理與普通電池基本相同，也是通過電化學(xué)反應(yīng)把物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｋ煌氖牵瑐鹘y(tǒng)電池是事先填充好內(nèi)部物質(zhì) ，化學(xué)反應(yīng)結(jié)束后，不能再釋放出電能；而燃料電池進行化學(xué)反應(yīng)所需的物質(zhì)是由外部不斷填充的，中途供應(yīng)燃料，就能源源不斷地輸出電能和熱能。從燃料電池一側(cè)的正極輸入氧或空氣，另一側(cè)的負(fù)極輸入氫和二氧化氮，在正極與負(fù)極之

6、間充滿電解質(zhì)。氫燃料輸入進燃料電池的負(fù)極，氧(或空氣)進入燃料電池的正極，在催化劑的作用下，氫原子分裂成一個電子和一個質(zhì)子，它們通過不同的路徑到達(dá)負(fù)極，從而產(chǎn)生可利用的電流，同時氫和氧重新結(jié)合形成水分子。其中氫的來源則是由燃料電池系統(tǒng)中的燃料轉(zhuǎn)換裝置所提供，該裝置將天然氣、甲醇或者汽油等烴類燃料自處理后轉(zhuǎn)換為氫氣。近年來研究開發(fā)的差不多都是固體高分子型燃料電池pefc ，其平均重量和體積功率密度比其他燃料電池好。工作溫度低，容易操作，很適合汽車尤其小轎車使用。汽車固體高分子燃料電池大致有使用燃料 、燃料儲存、改質(zhì)器及輔助電源組成。(1) 使用燃料pefc 汽車使用的燃料電池有氫氣 、甲醇 、汽

7、油等。氫可以直接作燃料。甲醇和汽油必須改質(zhì)。以氫直接作燃料，pefc系統(tǒng)簡單，燃料使用率可達(dá)100%，廢氣排放幾乎為零。甲醇功率密度高搭，載設(shè)備輕，一次充填行駛距離可達(dá)汽油車水平。通常，甲醇有改質(zhì)器改質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅涔┙opefc。現(xiàn)在開始研究在電極表面直接將甲醇轉(zhuǎn)變?yōu)闅潆x子的直接甲醇燃料電池。以汽油為燃料，改質(zhì)溫度高，同時含在汽油中的硫易使催化劑中毒，系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)要求高，難度大，需要解決的問題較多。因此，目前主要使用的燃料是甲醇和氫氣 。2 燃料儲存 氫氣在常溫下為氣體，功率密度小，車載必須高密度化。氫氣的高密度儲存有高壓容器、液體氫罐、吸氫合金3種方法。高壓容器法可以參照天然氣汽車中天然氣的儲存

8、方法，將氫氣液化后儲存在絕熱容器中，雖能提高其重量密度，但在極低溫下液化，需要較多能源。用吸氫合金方法儲存氫氣，氫的體積功率密度大，重量密度小，且低壓下可以充填，所需動力小，綜合能源效率好，適宜于小型汽車使用。上述方法，無論哪種都不能由其一長一短決定，必需有氫氣制造輸送 、儲存設(shè)備及車輛狀況通盤考慮，以達(dá)到使用最佳化 。至于甲醇儲存，可以使用類似汽車油箱即可。3 燃料改質(zhì) 燃料改質(zhì)是燃料電池的主體，目前主要改質(zhì)是甲醇。改質(zhì)方法有水蒸氣 、部分氧化及復(fù)合型三種。部分氧化改質(zhì)由空氣供給氧，因氮的存在會使改質(zhì)器中的氫濃度下降。復(fù)合型改質(zhì)工藝過程復(fù)雜。水蒸氣改質(zhì)雖要外部供給熱量，但是可以利用燃料電池的

9、廢氣燃燒熱。甲醇水蒸氣改質(zhì)燃料電池系統(tǒng)(4) 輔助電源使用輔助電源主要解決燃料電池汽車的起動問題，輔助電源與燃料電池的最佳組合，在燃料電池汽車的高效率運轉(zhuǎn)中起重要作用。輔助電源除ni-mh、lf離子等二次電池外，還有雙層電容器 (超電容) 等。燃料電池組(堆)( fuel cell unit)熱力發(fā)動機主要以石油產(chǎn)品作為燃料，熱力發(fā)動機的能量轉(zhuǎn)換方式是燃料在氣缸中燃燒后，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽缓笸ㄟ^曲柄- 連桿機構(gòu)再轉(zhuǎn)換為機械能，在能量轉(zhuǎn)換過程中要遵守卡諾循環(huán)規(guī)律來作功，熱效率比較低，為12% 15%。熱力發(fā)動機還要依靠一套傳動機構(gòu)來驅(qū)動車輛行駛，動能傳遞過程中有摩擦損耗，而且需要潤滑。

10、燃料燃燒后所排放的廢氣會對大氣環(huán)境造成污染，一般需要采用排氣凈化處理的方法來降低污染。燃料電池(fuel cell)是一種把氫在氧化時的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，能量的轉(zhuǎn)換不受卡諾循環(huán)規(guī)律的限制，熱效率可達(dá)到70%80% 。燃料電池在運行過程中，不需要復(fù)雜的機械傳動裝置，不需要潤滑劑，沒有振動與噪聲，燃料電池向驅(qū)動電動機提供電源來驅(qū)動fcev行駛。在fcev上主 要采用的是質(zhì)子交換膜燃料電池組(堆)pemfc(proton exchange membrane fuel cell)。質(zhì)子交換膜燃料電池pemfc又 名固體高聚合物電解 質(zhì)燃料電池，pemfc用可傳導(dǎo)質(zhì)子的聚合膜作為電解質(zhì)，這

11、種聚合膜具有選擇透過h離子的功能 ，是pemfc的 關(guān)鍵技術(shù)。pemfc的 能量轉(zhuǎn)換效率 理論上可達(dá)到80%。并且具有比功率大、體積小、啟動快、能耗少、壽命長、工作溫度低等特點，現(xiàn)在各國研發(fā)的pemfc實 際能量轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到50% 60%體積和質(zhì)量較小，有利于在電動車輛上布置。燃料電池是由負(fù)極(燃料極)、正極(氧化極)、和正負(fù)極之間的電解質(zhì)共同組成，根據(jù)不同種類的燃料電池采用了不同的電解質(zhì)，有酸性、堿 性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)。在燃料電池負(fù)極一側(cè)輸入氫氣，在燃料電池正極一側(cè)輸入空氣或氧氣， 氫氣與氧化劑經(jīng)催化劑的作用，在電化學(xué)反應(yīng)過程 中轉(zhuǎn)化為電能和生成水h2o， 因此，不會排放氮氧化物no

12、x和碳?xì)浠衔飄c等對大氣環(huán)境造成污染的氣體。內(nèi)燃機是在氣缸與活塞之間將燃料的化學(xué)能燃燒后的熱能轉(zhuǎn)變，使氣體膨脹，然后依靠活塞- 曲柄連桿機構(gòu)，使氣體膨脹的直線運動轉(zhuǎn)換為曲軸的 旋轉(zhuǎn)運動，來帶動汽車行駛。為了保證內(nèi)燃機的正常運轉(zhuǎn)，內(nèi)燃機裝有進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和起動系統(tǒng)等輔助裝置。pemfc組是用不同個數(shù)的單體pemfc串聯(lián)組成，用端板將不同個數(shù)單體pemfc緊密地裝配到一起，組成不同規(guī)格的pemfc組。pemfc組本身的結(jié)構(gòu)比較簡單，沒有運動構(gòu)件，不需要潤滑，便于維修。在fcev所采用的燃料電池發(fā)動機中，為保證pemfc組的正常工作，除以pemfc組

13、為核心外，還裝有氫氣供給系統(tǒng)、氧氣供給系統(tǒng)、氣體加濕系統(tǒng)、反應(yīng)生成物的處理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等。只有這些輔助系統(tǒng)匹配恰當(dāng)和正常運轉(zhuǎn)，才能保證燃料電池發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)。氫氣供應(yīng)、管理和回收系統(tǒng)氣態(tài)氫的儲存裝置通常用高壓儲氣瓶來裝載，對高壓儲氣瓶的品質(zhì)要求很高，為保證燃料電池電動汽車一次充氣有足夠的行駛里程，就需要多個高壓儲氣瓶來儲存氣態(tài)氫氣。一般轎車需要2 4個高壓儲氣瓶，大客車上需要5 10個高壓儲氣瓶。液態(tài)氫氣雖然比能量高于氣態(tài)氫，由于液態(tài)氫 氣是處于高壓狀態(tài)，不但需要用高壓儲氣瓶儲存，還要用低溫保溫裝置來保持低溫，低溫的保溫裝置 是一套復(fù)雜的系統(tǒng)。在使用不同壓力的氫氣（高壓氣態(tài)氫氣

14、和高壓低溫液態(tài)氫氣）時，就需要用不同的氫氣儲存容器，不同的減壓閥、調(diào)壓閥、安全閥、壓力表、流量表、熱量交換器和傳感器等來進行控制。并對各種管道、閥和儀表等的接頭采取嚴(yán)格的防泄漏措施。從燃料電池中排出的水，含有未發(fā)生反應(yīng)的少量的氫氣。正常情況下，從燃料電池排出的少量的氫氣應(yīng)低于1%以下，應(yīng)用氫氣循環(huán)泵將這少量的氫氣回收。氧氣供應(yīng)和管理系統(tǒng)。氧氣的來源有從空氣中獲取氧氣或從氧氣罐中獲取氧氣，空氣需要用壓縮機來提高壓力，以增加燃料電池反應(yīng)的速度。在燃料電池系統(tǒng)中，配套壓縮機的性能有特定的要求，壓縮機質(zhì)量和體積會增加燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)的質(zhì)量、體積和成本，壓縮機所消耗的功率會使燃料電池的效率降低。空氣供

15、應(yīng)系統(tǒng)的各種閥、壓力表、流量表等的接頭要采取防泄漏措施。在空氣供應(yīng)系統(tǒng)中還要對空氣進行加濕處理，保證空氣有一定的濕度。水循環(huán)系統(tǒng)燃料電池發(fā)動機在反應(yīng)過程中將產(chǎn)生水和熱量，在水循環(huán)系統(tǒng)中用冷凝器、氣水分離器和水泵 等對反應(yīng)生成的水和熱量進行處理，其中一部分水可以用于空氣的加濕。另外還需要裝置一套冷卻系統(tǒng)，以保證燃料電池的正常運作。電力管理系統(tǒng)燃料電池所產(chǎn)生的是直流電，需要經(jīng)過dc/dc變換器進行調(diào)壓，在采用交流電動機的驅(qū)動系統(tǒng)中，還需要用逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電。以氫氣為燃料的燃料電池發(fā)動機的各種外圍裝置的體積和質(zhì)量約占燃料電池發(fā)動機總體積和質(zhì)量的1/ 3 1/ 2。以甲醇為燃料的燃料電池

16、發(fā)動機在以甲醇為燃料的燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)中，用甲醇供應(yīng)系統(tǒng)代替了上述的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)。包括甲 醇儲存裝置、甲醇供應(yīng)系統(tǒng)的泵、管道、閥門、加熱器及控制裝置等。甲醇儲存裝置甲醇可以用普通容器儲存，不需要加壓或冷藏，可以部分利用內(nèi)燃機汽車的供應(yīng)系統(tǒng)，有利于降低fcev的使用費用。燃燒器、加熱器和蒸發(fā)器甲醇進入改質(zhì)器之前，要用加熱器加熱甲醇和純水的混合物，使甲醇和純水的混合物一起受高溫（ 621）熱量的作用，蒸發(fā)成甲醇和純水的混合氣，然后進入改質(zhì)器。改質(zhì)器改質(zhì)器是將甲醇用改質(zhì)技術(shù)轉(zhuǎn)化為氫氣的關(guān)鍵設(shè)備。不同的碳?xì)浠衔锊捎貌煌母馁|(zhì)技術(shù)，在改質(zhì)過程中的溫度、壓力會有所不同，例如：甲醇 用水蒸氣改質(zhì)法的溫度為621 ，用部分氧化改質(zhì)法的溫度為985 ，用廢氣改質(zhì)法的第一階段溫度為985 ，第二階段溫度為250 。在fcev用甲醇經(jīng)過改質(zhì)產(chǎn)生的氫氣做燃料時，就需要對各種改質(zhì) 方法進行分析，選擇最佳改質(zhì)技術(shù)和最適合fcev 配套的改質(zhì)器。氫氣凈化器改質(zhì)器所產(chǎn)生的h2因為含有少量的co，因此必 須對h2進行凈化