第十章 燃料电池电动汽车【新能源汽车结构与检修】

燃料电池是一种能量转换装置，在工作时必须有燃料
输入，才能产出电能，不存在充电问题。普通蓄电池是一
种能量储存装置，必须先将电能储存到电池中，在工作时 只能输出电能，在工作时不需输入燃料。
（2）燃料电池通过不断供给燃料，可连续放电。 普通蓄 电池必须重复充电后才可重复使用，放电是间断的。
（3）燃料电池需要一套燃料储存装置或燃料转换装置和附属 设备，才能获得氢气，燃料会随着电能的产生逐渐消耗，质 量逐渐减轻。普通蓄电池没有其它辅助设备，不论是充满电 还是放完电，其质量和体积基本不变。 （4）燃料电池产生电能时，反应物质不断地消耗不再重复使 用，要不断地输入反应物质。普通蓄电池充放电时，活性物 质反复进行可逆性化学变化，活性物质并不消耗。
所需工作电压。燃料电池堆采用双极板实现单元燃料电池
的连接。同一块双极板的两个侧面，分别与相邻单元燃料
电池的阴极和阳极接触。双极板还起到将氢送到阳极，将 氧或空气送到阴极的作用。丰田Mirai燃料电池堆参数，如 表10-1所示。一定数量的燃料电池堆构成了燃料电池，如 图10-4 所示.
图10-3 燃料电池堆
（2）到2025年，实现氢燃料电池汽车技术的广泛推广应用 。以城市私人用车、公共服务用车的批量应用为主，优化燃 料电池系统的结构设计，加速关键部件产业化，大幅减低燃 料电池系统成本；商用车达到1万辆规模，乘用车规模达到4 万辆。
（3）到2030年，实现氢燃料电池汽车技术的大规模推广应用 。大规模的制取、储存、运输、应用一体化，加氢站现场储
3. 燃料电池组成及工作原理
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（图10-1）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。
图10-1燃料电池组成及工作原理
4.质子交换膜燃料电池( PEMFC)
质子交换膜燃料电池( PEMFC) 完 全具有高比能量、低工作温度、起动 快、无泄漏等特性, 所以FCV 所使用的 燃料电池都是质子交换膜燃料电池( PEMFC)，该电池的结构如图10-2所示 ：
我国氢燃料电池汽车发展目标： （1）到2020年，实现氢燃料电池汽车技术规模化示范运行
。基本掌握高效氢气制备、纯化、储运和加氢站等关键技术 ；基本掌握低成本长寿命电催化剂技术、聚合物电解质膜技 术、低铂载量多孔电极与膜电极技术、非贵金属催化剂和新 型双极板材料开发技术、高效一致性电池堆及系统集成技术 ，突破关键材料、核心部件、系统集成等关键技术；示范车 辆达到5000辆。
图10- 4燃料电池
表10-1丰田Mirai燃料电池堆参数பைடு நூலகம்
项目
参数
体积功率密度 、质 量 3.1KW/L、2KW/Kg
功率密度
体积/重量
37L/56 Kg
电池单体数量
370片（一排堆叠）
电池单体厚度
1.34mm
电池单体重量
102g
电池单体流场
3D精细网格流场
安装位置
地板下方
6.燃料电池与普通蓄电池的区别 （1）本质区别
2.燃料电池分类
（1）按燃料电池运行机理分类：酸性燃料电池和碱性燃料电池。 （2）按电解质种类分类： 碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池 (PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC) 、质子交换膜燃料电池(PEMFC)。 （3）按燃料电池工作温度分类：低温型(温度低于200℃，如质子 交换膜燃料电池)、中温型(温度为200~700℃) 、高温型（温度高于 750℃），如熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池)。 （4）按燃料类型分类：氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、 丁烷、汽油、柴油和天然气等。有机燃料和气体燃料必须经过重 整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。
图10-2 质子交换膜燃料电池
电池的阳极( 燃料极) 输入氢气( 燃料) , 氢分子( H2) 在阳 极催化剂作用下被离解成为氢离子( H+) 和电子(e-) , H+ 穿过 燃料电池的电解质层向阴极( 氧化极) 方向运动, e-因通不过电 解质层而由一个外部电路流向阴极; 在电池阴极输入氧气( O2) , 氧气在阴极催化剂作用下离解成为氧原子(O) , 与通过外部电 路流向阴极的e-和燃料穿过电解质的H+ 结合生成稳定结构的 水( H2O) , 完成电化学反应放出热量。这种电化学反应与氢气 在氧气中发生的剧烈燃烧反应是完全不同的, 只要阳极不断输 入氢气, 阴极不断输入氧气, 电化学反应就会连续不断地进行 下去, e-就会不断通过外部电路流动形成电流, 从而连续不断
氢、制氢模式的标准化和推广应用；完全掌握燃料电池核心
关键技术，建立完备的燃料电池材料、部件、系统的制备与 生产产业链。氢燃料电池汽车规模达到100万辆，氢气来源 50%为清洁能源。
10.2燃料电池组成及工作原理
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。
1.燃料电池优点 （1）由于输出功率单位由堆的输出功率定，故机组容量具 有自由度；部分负荷时也能保持高的效率；
（2）通过与燃料供给装置的组合，可适用范围的燃料； （3） 没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有和大尺寸相仿 的效率；
（4）转换效率高，可达60% ； （5）没有运转部件，噪音小； （6）NOx及SOx等的排出量少，有利环保,若以氢为燃料，排 放是水，电池部分可实现“零排放”。
地向汽车提供电力。与传统的导电体切割磁力线的回转机械 发电原理也完全不同, 这种电化学反应属于一种没有物体运动 就获得电力的静态发电方式。因而, 燃料电池具有效率高、噪 音低、无污染物排出等优点。
5. 燃料电池堆 由于单元燃料电池产生的电压很低(约0.7V)，须将它
们串联连接，构成“燃料电池堆”（图10-3），才能得到
第十章 燃料电池电动汽车
10.1概述
我国氢燃料电池汽车的发展愿景是：到2030年实现百 万辆的氢燃料电池 汽车上路行驶，到2050年逾纯电动汽车 技术共同实现汽车零排放。具体来讲就是抓住新能源革命 的历史机遇，与纯电动汽车协调发展，通过能源的低碳清 洁化和动力的高效电动化，以车用能源来源的多元化保障 能源供应安全，以能源利用的零排放改善生活环境质量， 以分布式低碳能源的应用应对全球气候变化，实现汽车产 业从大到强。