單元一燃料電池汽車結構《新能源汽車認知與應用》教學目標專業能力1、能夠描述燃料電池的應用；2、能夠描述燃料電池的類型與工作原理；3、能夠描述燃料電池汽車的結構與工作原理；4、能夠描述典型的燃料電池汽車的特點。應用能力1、養成做事細心、嚴謹的作風；2、提高合作意識和創新精神；3、養成良好的安全意識、責任意識、6S管理意識，注重節約、節能和環保。學習目錄1燃料電池的應用2燃料電池的類型與工作原理3燃料電池汽車的結構與工作原理4典型的燃料電池汽車介紹燃料電池的應用

1.氫能源與燃料電池氫在地球上屬于最豐富的元素之一，但是它不能以其自然形式存在，例如在大氣中，氫是和氧共同作用形成水存在的。在很多自然界的礦物中也能找到氫，例如天然氣、煤、石油等。要把氫存儲起來用作燃料，必須進行一系列工序把這些物質分離出來。學習內容氫存在的形式燃料電池就是氫動力電池，氫是一種優質燃料，與等量的化石燃料相比，它的比能非常高。1kg氫的能量是1kg汽油能量的3倍。燃料電池是一種把氫氧化學能轉化成電能的電化學裝置。學習內容典型燃料電池外觀燃料電池的應用

2.燃料電池的優點燃料電池產生電能，并且由于氫和氧提供電能給燃料電池，所以燃料電池本身不會產生任何碳排放，排放的只有水和熱量。燃料電池的能量也比一般內燃機更高，由內燃機提供動力的車輛效率只有15%~20%，而燃料電池汽車的效率能達到40%以上。此外，如果利用燃料電池作為汽車動力來源，其運動部件非常少，穩定性更強。學習內容燃料電池的應用3.燃料電池堆單個燃料電池本身沒有多少用途，因為它產生的電動勢小于1V。運用在汽車上的燃料電池通常是把數百個燃料電池組合在一起做成一個燃料電池堆。在這種布置中，燃料電池串聯在一起，這樣的電池堆的總電壓是每個單電池電壓的總和。學習內容汽車用燃料電池堆由數百個單電池串聯而成燃料電池的應用

4.燃料電池應用于汽車存在的問題雖然目前很多汽車制造商開始設計和研發燃料電池汽車，并致力于提高燃料電池系統的設計，但是沒有一款由燃料電池提供動力的汽車能夠大規模生產。原因包括有成本高、缺少加燃料的基礎設施，安全保障、汽車續航里程不足，以及不能夠經久耐用和冷起動問題都影響和制約了燃料電池汽車的發展。學習內容燃料電池的應用

1.燃料電池類型燃料電池的類型很多，主要的區別在于所用的電解質種類不同。有些電解質常溫下運行效果很好，而有些需要在溫度高達900℃的情況下才能正常工作。學習內容燃料電池的類型與工作原理常見的燃料電池類型

PAFC磷酸燃料電池PEM質子交換膜燃料電池MCFC熔融碳酸鹽燃料電池SOFC固態氧化物燃料電池電解質磷酸磺酸聚合物鋰、鉀碳酸鹽穩態釔氧化鋯燃料天燃氣、氫天燃氣、氫天燃氣、合成氣天燃氣、合成氣工作溫度182~210℃80~100℃593~704℃649~1815℃電效率40%30~40%43~44%50~60%制造商ONSI公司艾維斯塔、PP公司等IHI、日立、西門子霍尼韋爾公司應用固定電源汽車、移動電源工業及公共電源固定電源

2.質子交換膜燃料電池的工作原理最合適汽車使用的燃料電池是質子交換膜電池，也稱為PEM電池。

質子交換膜燃料電池發電過程不涉及氫氧燃燒，能量轉換率高，發電時不產生污染，發電單元模塊化，可靠性高，組裝和維修都很方便，工作時也沒有噪聲。在燃料電池內部，質子交換膜為質子的遷移和輸送提供通道，使得質子經過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子轉移構成回路，向外界提供電流。因此，質子交換膜的性能對燃料電池的性能起著非常重要的作用，其性能的好壞，直接影響電池的使用壽命。

學習內容燃料電池的類型與工作原理在原理上，質子交換膜燃料電池相當于電解水的“逆”裝置。

其單電池由陽極、陰極和含催化劑涂層的質子交換膜構成，陽極為氫燃料發生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質。工作時，相當于一個直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。學習內容PEM電池工作原理示意圖燃料電池的類型與工作原理氫氣直接被輸送到負極，氧氣直接被輸送到正極。氫以分子的形式被輸送至負極，在有催化劑的情況下氫氣被分解成H+離子（質子）。通過外電路輸送氫原子的電子（e-）產生用于進行工作的電。然后，這些相同的電子被送到正極，通過膜返回的H+離子在有催化劑的情況下，在正極與氧發生化學反應產生水和熱量。學習內容燃料電池的類型與工作原理3.甲醇燃料電池由于采用氫作為燃料電池燃料時，存儲氫需要使用高壓氣缸的成本和安全性均不是很理想，因此另一種改進的PEM燃料電池方法是用液態甲醇替代氫氣。學習內容甲醇燃料電池用甲醇取代了氫氣作為燃料燃料電池的類型與工作原理制造甲醇最常用的方法是用天燃氣合成甲醇，它比氣態氫的能量密度更高，因為常溫下它以液態形式存在，無需使用壓縮機或其他高壓設備。使用液態取代高壓氣體給燃料汽車加燃料，這樣的過程將更加簡單，幾乎類似與添加汽油的車輛添加汽油一樣。甲醇本身有腐蝕性，這使得甲醇不能存儲在現有的燃油箱中，需要建立一個單獨處理和存儲甲醇的基礎設施。學習內容直接甲醇燃料電池的加注方式與汽油車相似燃料電池的類型與工作原理燃料電池汽車的結構與工作原理燃料電池汽車是指以氫氣或甲醇等為燃料，通過化學反應產生電流，依靠電動機驅動的汽車。燃料電池車輛是無污染汽車，燃料電池的能量轉換效率比內燃機要高2~3倍，燃料電池汽車是一種理想的新能源汽車。學習內容燃料電池汽車驅動原理圖燃料電池汽車的主要結構是燃料電池堆及相應的附屬裝置，右圖所示為本田FCX燃料電池汽車的動力傳動示意圖。學習內容燃料電池汽車的結構與工作原理其各個部件的功能是：

（1）增濕器增濕器位于燃料電池系統盒內，在通往電池堆陰極的空氣管道里面。

PEM燃料電池的水管理系統非常重要，水太多會妨礙氧氣與正極接觸，水太少會讓電解質變干，降低其電導性。增濕器的作用是平衡，通過讓正在陰極蒸發的水分循環給燃料電池提供充足的水分。學習內容燃料電池汽車的結構與工作原理

（2）燃料電池冷卻系統正常工作過程中燃料電池會產生熱量。余熱會導致聚合物電解質膜損壞，所以必須用液體冷卻系統把余熱從燃料電池堆中帶走。燃料電池產生的熱屬于低品位熱能，在冷卻液與周圍空氣之間的溫度差別很小，這種情況下，熱轉移會很慢，必須用表面積非常大的散熱器。本田FCX用一個大散熱器冷卻燃料電池，兩個小散熱器冷卻傳動機構。學習內容燃料電池汽車的結構與工作原理

（3）空氣泵在所有行駛條件下，必須以適當壓力和流速給燃料電池堆送風使電池堆正常工作。車載空氣泵把大氣壓縮后輸送給燃料電池的正極就能達成此功效。

（4）二次電池在燃料電池汽車中設計二次電池，可以提高汽車的駕駛性能。因為電存儲設備能夠立即提供能量給驅動電機，并且克服了燃料電池部分的加速滯后情況。學習內容燃料電池汽車的結構與工作原理

1）高壓電池大多數燃料汽車設計中用鎳氫電池作為二次電池，通常安裝在汽車后部，二次電池的構造與燃料電池堆相似，由很多單個電池串并聯構成一個高壓電池組。高壓電池組學習內容燃料電池汽車的結構與工作原理

2）超級電容器電池中存儲電能的另一種形式是超級電容器。電容器是一種能阻止直流電、允許交流電通過的電氣設備。然而，電容器也能利用正負電荷之間的靜電吸引存儲電能。

超級電容器能夠快速、高效地充放電，這個特點使得超級電容器很適合使用在燃料電池汽車上作為輔助二次電池用。超級電容器模塊及單個電池的結構學習內容燃料電池汽車的結構與工作原理

（6）驅動橋用于燃料電池汽車的驅動橋非常簡單，幾乎沒有運動件，這使它極其耐用、安靜及穩定。學習內容驅動橋總成燃料電池汽車的結構與工作原理

（7）電源控制單元（PCU）燃料電池汽車的傳動機構由電源控制單元（PCU）控制，它控制燃料電池的輸出功率，并讓電在各種不同部件之間流動。充當逆變器就是PCU的作用之一，它把燃料電池堆輸出的直流電轉變成三相交流電，供汽車的驅動電機使用。豐田燃料電池車輛電源控制單元控制各個部件之間電流關系學習內容燃料電池汽車的結構與工作原理

1.本田燃料電池汽車2002年12月2日，本田同時向日本政府和美國洛杉磯市政府交付了首批FCX，成為世界上第一家實現商品化銷售的燃料電池車生產廠家。典型的燃料電池汽車介紹學習內容本田FCX車型

（1）FCX的重要部件1）動力控制單元（PCU）。PCU結構更加的緊湊，置于電動機之上。這樣裝置，在前部受到撞擊時，可以保護一些高壓的部件。2）集成的電動機和變速器裝配。緊湊的設計，讓這套組合進入到小型車內成為可能。學習內容本田FCX重要部件側視圖典型的燃料電池汽車介紹

3）超級電容。位置微斜置于后座位之后，確保足夠的行李艙空間。

4）后車架結構。雙段式后車架，包含一個副車架，有效的在撞擊時保護儲氫罐。本田FCX重要部件俯視圖學習內容典型的燃料電池汽車介紹

5）散熱器。由于采用了緊湊的電動機和變速器，因此可以使用一個更大的燃料電池系統散熱器，微斜置于車頭的兩側還安裝了稍小的散熱器，供驅動系統散熱。

6）燃料電池系統外箱。外箱包括燃料電池堆及其他動力生成部件，位于地板之下，以保證足夠的車艙空間。

7）高壓儲氫罐。位于后座之下，以確保足夠的行李艙空間。8）后懸架。懸架的安裝與高壓儲氫罐和副車架保持一致，易于安裝。混合動力(比亞迪秦)汽車發動機艙特征學習內容典型的燃料電池汽車介紹

9）組合儀表本田FCX的儀表與傳統汽車相比，主要增加有超級電容容量顯示和超級電容充電顯示，并同時顯示出動力輸出顯示。本田FCX儀表學習內容典型的燃料電池汽車介紹

（2）本田FCX的運行模式

1）起步和加速時輸出由燃料電池堆和超級電容提供。超級電容在極短的時間內輔助燃料電池達到最大的性能。起步和加速時學習內容典型的燃料電池汽車介紹

2）輕微加速和巡航時輸出只由燃料電池提供。燃料電池負責給電動機提供必須的動力，電容不用輔助。輕微加速和巡航時學習內容典型的燃料電池汽車介紹

3）減速時能量被回收存儲在超級電容里。超級電容能回收在制動時產生的能量，有效地提高能源效率。減速時學習內容典型的燃料電池汽車介紹

4）停車時怠速停車。自動怠速停車系統將切斷從燃料電池輸送過來的輸出，以節省燃料消耗。系統在感應到駕駛人操縱的起步信號后，可迅速由燃料電池和超級電容協同提供所需的動力。停車時學習內容典型的燃料電池汽車介紹

2.奔馳B級F-Cell燃料電池車在2005年的日內瓦車展上，當年的戴姆勒?克萊斯勒作為燃料電池驅動的先行者，發布了新一代燃料電池汽車：奔馳B級燃料電池車。