燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知學(xué)習(xí)單元4.1《智能新能源汽車認(rèn)知與操作安全》天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)汽車職業(yè)教育研究所-專業(yè)服務(wù)職業(yè)教育學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知123456學(xué)習(xí)導(dǎo)航7情境導(dǎo)入學(xué)習(xí)小結(jié)實(shí)踐技能拓展閱讀理論知識(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)自主學(xué)習(xí)小王是某汽車4S店的服務(wù)顧問(wèn)，客戶張先生想了解下燃料電池汽車與純電動(dòng)汽車在結(jié)構(gòu)上有什么不同。假如你是小王，你能向張先生介紹燃料電池汽車的組成結(jié)構(gòu)嗎？自主學(xué)習(xí)情境導(dǎo)入學(xué)習(xí)目標(biāo)理論知識(shí)拓展閱讀實(shí)踐技能學(xué)習(xí)小結(jié)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知1.能通過(guò)查閱相關(guān)維修技術(shù)資料等方式獲取車輛信息。2.能敘述燃料電池汽車的定義、分類及特點(diǎn)。3.能敘述燃料電池的類型和質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理。4.能敘述燃料電池汽車的工作原理。5．能認(rèn)知燃料電池汽車結(jié)構(gòu)組成。6.能了解燃料電池汽車的優(yōu)缺點(diǎn)。自主學(xué)習(xí)情境導(dǎo)入學(xué)習(xí)目標(biāo)理論知識(shí)拓展閱讀實(shí)踐技能學(xué)習(xí)小結(jié)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知4.1.2燃料電池電動(dòng)汽車的分類4.1.3燃料電池的類型4.1.1燃料電池電動(dòng)汽車的定義自主學(xué)習(xí)情境導(dǎo)入學(xué)習(xí)目標(biāo)理論知識(shí)拓展閱讀實(shí)踐技能學(xué)習(xí)小結(jié)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知4.1.4燃料電池的工作原理4.1.5燃料電池電動(dòng)汽車組成結(jié)構(gòu)與工作原理4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)燃料電池電動(dòng)汽車(FuelCellElectricVehicle，F(xiàn)CEV)是一種用車載燃料電池裝置產(chǎn)生的電力作為動(dòng)力的汽車。車載燃料電池裝置所使用的燃料為高純度氫氣或含氫燃料經(jīng)重整所得到的高含氫重整氣。與通常的電動(dòng)汽車比較,其動(dòng)力方面的不同在于燃料電池汽車用的電力來(lái)自車載燃料電池裝置,電動(dòng)汽車所用的電力來(lái)自由電網(wǎng)充電的蓄電池。因此,燃料電池汽車的關(guān)鍵是燃料電池。燃料電池是一種能夠持續(xù)的通過(guò)發(fā)生在陽(yáng)極和陰極的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池與常規(guī)電池的區(qū)別在于，它工作時(shí)需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑，只要持續(xù)供應(yīng)，燃料電池就會(huì)不斷提供電能。4.1.1燃料電池電動(dòng)汽車的定義學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知燃料電池電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)形式按照不同的分類方法有多種。1）按照燃料電池系統(tǒng)氫燃料的來(lái)源不同，F(xiàn)CEV可分為兩種：以純氫氣為燃料的FCEV；經(jīng)過(guò)重整產(chǎn)生氫為燃料的FCEV。2）按照驅(qū)動(dòng)形式，F(xiàn)CEV又可分為兩種：純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)(PFC)的FCEV；混合驅(qū)動(dòng)的FCEV?；旌向?qū)動(dòng)的FCEV按輔助動(dòng)力源又分為以下三種：燃料電池與輔助蓄電池混合驅(qū)動(dòng)(FC+B)的FCEV；燃料電池與超級(jí)電容混合驅(qū)動(dòng)(FC+C)的FCEV；燃料電池與輔助蓄電池和超級(jí)電容混合驅(qū)動(dòng)(FC+B+C)的FCEV。4.1.2燃料電池電動(dòng)汽車的分類學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知燃料電池種類繁多，到目前為止，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種類型的燃料電池。通常燃料電池可按其電解質(zhì)類型、工作溫度、燃料的來(lái)源、燃料的狀態(tài)等進(jìn)行分類。（1）按電解質(zhì)分類目前最常用的分類方法是按燃料電池所采用的電解質(zhì)的類型分類。根據(jù)燃料電池中使用電解質(zhì)種類的不同，通?？煞譃橐韵挛孱?。4.1.3燃料電池的類型學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知

1）質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)：通常以全氟或部分氟化的磺酸型質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)。這種電解質(zhì)具有高功率一重量比和低工作溫度，是適用于固定和移動(dòng)裝置的理想材料。如圖所示。4.1.3燃料電池的類型學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知2）堿性燃料電池(AFC)：采用氫氧化鉀溶液作為電解液。這種電解液效率很高（可達(dá)60-90％），但對(duì)影響純度的雜質(zhì)，如二氧化碳很敏感。因而運(yùn)行中需采用純態(tài)氫氣和氧氣。如圖所示。4.1.3燃料電池的類型學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知3）磷酸燃料電池(PAFC)：采用200℃高溫下的磷酸作為其電解質(zhì)，很適合用于分散式的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。如圖所示。4.1.3燃料電池的類型學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知4）熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)：以熔融的鋰-鉀或鋰-鈉碳酸鹽為電解質(zhì)，工作溫度可達(dá)650℃。這種電池的效率很高，但材料需求的要求也高。如圖所示。4.1.3燃料電池的類型學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知5）固體氧化物燃料電池(SOFC)：采用的是固態(tài)電解質(zhì)（鉆石氧化物），性能很好。他們需要采用相應(yīng)的材料和過(guò)程處理技術(shù)，因?yàn)殡姵氐墓ぷ鳒囟燃s為1000℃。如圖所示。4.1.3燃料電池的類型學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知按電解質(zhì)分類的這幾種燃料電池具有各自的工作特性和適用范圍，并且處于不同的發(fā)展階段。堿性燃料電池的效率很高，發(fā)展非常成熟，但其工作條件要求隔絕C02，應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在航天方面。磷酸燃料電池技術(shù)已經(jīng)非常成熟，被稱為第一代燃料電池，它是最接近商業(yè)化的燃料電池，但磷酸燃料電池需要用到貴金屬鉑催化劑，成本較高，且其工作溫度不夠高，余熱利用價(jià)值低。熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)展較早，被稱為第二代燃料電池，固體氧化物燃料電池的研究則起步較晚，被稱為第三代燃料電池，這兩種燃料電池工作效率高，被認(rèn)為最適合實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，性能良好，但由于其工作溫度較高，所以對(duì)電池材料的要求也較高。質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)近期發(fā)展迅速，采用較薄高分子隔膜作電解質(zhì)，具有很高的比功率，而且工作溫度較低，特別適合作為便攜式電源和新能源汽車車載電源，但目前的主要問(wèn)題是成本太高。4.1.3燃料電池的類型學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（2）按工作溫度分類根據(jù)工作溫度的不同，燃料電池可分為以下四類。1）低溫燃料電池：工作溫度范圍一般是25-100℃，如固體聚合物電解質(zhì)燃料電池。2）中溫燃料電池：工作溫度范圍一般是100-500℃，如磷酸型燃料電池。3）高溫型燃料電池：工作溫度范圍一般是500-1000℃，這種類型的電池包括熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。4）超高溫型燃料電池：工作溫度范圍一般是高于1000℃。4.1.3燃料電池的類型學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（3）按燃料的來(lái)源分類根據(jù)燃料電池使用燃料的來(lái)源不同，可分為以下三類。1）直接型燃料電池：是指燃料不經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化步驟直接參加燃料電池的電極反應(yīng)，比如氫氧燃料電池，燃料直接使用氫氣。2）間接型燃料電池：是指燃料不直接參加電化學(xué)反應(yīng)，而是要通過(guò)重整等方法將燃料轉(zhuǎn)化后再供給燃料電池發(fā)電，比如將甲醇重整后富氫的混合氣作為燃料電池的燃料，即其燃料不是直接使用氫氣，而是通過(guò)某種方法把甲烷、甲醇或其他烴類化合物轉(zhuǎn)變成氫或含富氫的混合氣后再供給燃料電池。3）再生型燃料電池：是指將燃料電池反應(yīng)生成的水經(jīng)過(guò)某種方式（如熱和光等）分解成氫和氧，再將氫和氧重新輸送給燃料電池進(jìn)行發(fā)電。4.1.3燃料電池的類型學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（4）按燃料狀態(tài)分類根據(jù)燃料電池的燃料狀態(tài)不同，可分為液體型燃料電池和氣體型燃料電池。此外，根據(jù)燃料電池使用燃料的種類，可分為氫燃料電池、甲醇燃料電池、乙醇燃料電池等；根據(jù)燃料電池運(yùn)行機(jī)理的不同，可分為酸性燃料電池和堿性燃料電池。4.1.3燃料電池的類型學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知燃料電池是一種不燃燒燃料而直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。為滿足汽車的使用要求，車用燃料電池必須具有高比能量、低工作溫度、起動(dòng)快、無(wú)泄漏等特性，在眾多類型的燃料電池中,質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchangemembranefuelcell，PEMFC)完全具備這些特性，所以燃料電池汽車普通使用聚合物電解質(zhì)膜(PEM)燃料電池，也被稱作質(zhì)子交換膜電池或固體聚合物電解質(zhì)燃料電池，使用氫氣和空氣中的氧氣產(chǎn)生發(fā)電。4.1.4燃料電池的工作原理學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知發(fā)電的基本過(guò)程是：電池的陽(yáng)極（燃料極）輸入氫氣（燃料）,氫分子（H2）在陽(yáng)極催化劑作用下被離解成為氫離子（H+）和電子（e-）,H+穿過(guò)燃料電池的電解質(zhì)層向陰極（氧化極）方向運(yùn)動(dòng)，e-因通不過(guò)電解質(zhì)層而由一個(gè)外部電路流向陰極；在電池陰極輸入氧氣（O2），氧氣在陰極催化劑作用下離解成為氧原子（O），與通過(guò)外部電路流向陰極e-和燃料穿過(guò)電解質(zhì)的H+結(jié)合生成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的水（H2O），完成電化學(xué)反應(yīng)放出熱量。4.1.4燃料電池的工作原理學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知這種電化學(xué)反應(yīng)與氫氣在氧氣中發(fā)生的劇烈燃燒反應(yīng)是完全不同的，只要陽(yáng)極不斷輸入氫氣，陰極不斷輸入氧氣，電化學(xué)反應(yīng)就會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，e-就會(huì)不斷通過(guò)外部電路流動(dòng)形成電流，從而連續(xù)不斷地向汽車提供電力。與傳統(tǒng)的導(dǎo)電體切割磁力線的回轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)電原理也完全不同，這種電化學(xué)反應(yīng)屬于一種沒(méi)有物體運(yùn)動(dòng)就獲得電力的靜態(tài)發(fā)電方式。因而,燃料電池具有效率高、噪音低、無(wú)污染物排出等優(yōu)點(diǎn),這確保了FCV成為真正意義上的高效、清潔汽車。4.1.4燃料電池的工作原理學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知下面以純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)的FCEV，說(shuō)明燃料電池電動(dòng)汽車的組成結(jié)構(gòu)和工作原理。純?nèi)剂想姵仄囍挥腥剂想姵匾粋€(gè)動(dòng)力源，汽車的所有功率負(fù)荷都由燃料電池承擔(dān)。燃料電池系統(tǒng)將氫氣與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的電能通過(guò)總線傳給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再傳給傳動(dòng)系，從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)，如圖所示。4.1.5燃料電池電動(dòng)汽車組成結(jié)構(gòu)與工作原理學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知燃料電池汽車的氫燃料能通過(guò)幾種途徑得到：有些車輛直接攜帶著純氫燃料，另外一些車輛有可能裝有燃料重整器，能將烴類燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體。單個(gè)的燃料電池必須結(jié)合成燃料電池組，以便獲得必需的動(dòng)力，滿足車輛使用的要求。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車在構(gòu)造及動(dòng)力傳輸?shù)确矫娴拇嬖诤艽蟛煌?。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)--變速器動(dòng)力總成在燃料電池汽車中不復(fù)存在,取而代之的是燃料電池反應(yīng)堆、蓄電池、氫氣罐、電動(dòng)機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)化器等設(shè)備。4.1.5燃料電池電動(dòng)汽車組成結(jié)構(gòu)與工作原理學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知1.優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)汽車、純電動(dòng)汽車技術(shù)相比，燃料電池電動(dòng)汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)。（1）零排放或近似零排放，綠色環(huán)保。燃料電池電動(dòng)汽車在本質(zhì)上是一種零排放汽車，燃料電池沒(méi)有燃燒過(guò)程，若以純氫作燃料，通過(guò)電化學(xué)的方法，將氫和氧結(jié)合，生成物是清潔的水；采用其他富氫有機(jī)化合物用車載重整器制氫作為燃料電池的燃料，生成物除水之外還可能有少量的C02，但其排放量比內(nèi)燃機(jī)要少得多，且沒(méi)有其他污染排放（如氧化氮、氧化硫、碳?xì)浠锘蛭⒘＃﹩?wèn)題，接近零排放。與傳統(tǒng)汽車相比既減少了機(jī)油泄漏帶來(lái)的水污染，又降低了溫室氣體的排放。4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（2）能量轉(zhuǎn)換效率高，節(jié)約能源。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率極高。燃料電池沒(méi)有活塞或渦輪等機(jī)械部件及中間環(huán)節(jié)，不經(jīng)歷熱機(jī)過(guò)程，不受熱力循環(huán)（卡諾循環(huán)）限制，故能量轉(zhuǎn)換效率高，燃料電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率在理論上可達(dá)100%，實(shí)際效率已達(dá)60%～80%，是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的2～3倍(汽油機(jī)和柴油機(jī)汽車整車效率分別為16%-18%和22%～24%)。因此，從節(jié)約能源的角度來(lái)看，燃料電池汽車明顯優(yōu)于使用內(nèi)燃機(jī)的普通汽車。4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（3）燃料多樣化，優(yōu)化了能源消耗結(jié)構(gòu)。燃料電池所使用的氫燃料來(lái)源廣泛，自然界中，氫能大量存儲(chǔ)在水中，可采用水分解制氫，也可以從可再生能源獲得，可取自天然氣、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤以及再生能源。燃料來(lái)源的多樣化有利于能源供應(yīng)安全和利用現(xiàn)有的交通基礎(chǔ)設(shè)施（如加油站等）。燃料電池不依賴石油燃料，各種可再生能源可以轉(zhuǎn)化為氫能加以有效利用，減少了對(duì)石油資源的依賴，優(yōu)化了交通能源的構(gòu)成。4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（4）續(xù)駛里程長(zhǎng)，性能優(yōu)于其他電池的電動(dòng)汽車。采用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為能量源，克服了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短的缺點(diǎn)，其長(zhǎng)途行駛能力及動(dòng)力性已經(jīng)接近于傳統(tǒng)汽車。燃料電池汽車可以車載發(fā)電，只要帶上足夠的燃料，它可以把我們送到任何想去的地方。燃料電池電動(dòng)汽車在成本和整體性能上（特別是行程和補(bǔ)充燃料時(shí)間上）明顯優(yōu)于其他電池的電動(dòng)汽車。4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（5）過(guò)載能力強(qiáng)。燃料電池除了在較寬的工作范周內(nèi)具有較高的工作效率外，其短時(shí)過(guò)載能力可達(dá)額定功率的200%或更大，更適合于汽車的加速、爬坡等工況．燃料電池的短時(shí)過(guò)載能力可達(dá)200%的額定功率。（6）運(yùn)行平穩(wěn)、低噪聲燃料電池屬于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，除了空氣壓縮機(jī)和冷卻系統(tǒng)以外無(wú)其他運(yùn)動(dòng)部件，因此與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，擺脫了馬達(dá)的轟鳴，運(yùn)行過(guò)程中噪聲和振動(dòng)都較小。4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知2.缺點(diǎn)汽車業(yè)界普遍認(rèn)同的一個(gè)觀點(diǎn)是，燃料電池技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)最好的替代物，代表了汽車未來(lái)的發(fā)展方向。但如果將發(fā)展燃料電池汽車的幾個(gè)制約因素考慮進(jìn)來(lái)，則會(huì)發(fā)現(xiàn)燃料電池汽車目前和今后一段時(shí)間尚不具備商業(yè)化的條件。4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（1）燃料電池汽車的制造成本和使用成本過(guò)高制約燃料電池汽車推廣應(yīng)用的最大因素之一是燃料電池的生產(chǎn)成本一直居高不下。如何降低燃料電池的生產(chǎn)成本成為燃料電池汽車實(shí)用化的關(guān)鍵。據(jù)美國(guó)能源部測(cè)算，目前燃料電池的生產(chǎn)成本已降為500美元/kW。專家估計(jì)，只有當(dāng)燃料電池的生產(chǎn)成本降至50美元/kW的水平才能為消費(fèi)者所接受．也就是說(shuō)．當(dāng)一臺(tái)80kW的汽車用燃料電池的成本降到目前汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的3500美元的價(jià)格時(shí)，才能創(chuàng)造巨大的市場(chǎng)效益。從市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)學(xué)角度講，高成本很難完成市場(chǎng)化推廣，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化就不可能大規(guī)模批量生產(chǎn)，進(jìn)而成本就無(wú)法降下來(lái)，最終導(dǎo)致成本與銷售的惡性循環(huán)。另一方面，燃料電池汽車的使用成本過(guò)也高，氫氣的售價(jià)并不廉價(jià)，因此燃料電池車的運(yùn)行成本并不令人樂(lè)觀。目前由燃料電池發(fā)電系統(tǒng)提供lkW·h電能的成本遠(yuǎn)高于各種動(dòng)力電池，這從一個(gè)側(cè)面反映了作為汽車動(dòng)力源，燃料電池還有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（2）啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)抗震能力還需提高采用氫氣為燃料的FCEV啟動(dòng)時(shí)間一般需要超過(guò)3min，而采用甲醇或者汽油重整技術(shù)的FCEV則長(zhǎng)達(dá)lOmin，比起內(nèi)燃機(jī)汽車啟動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)得多，影響其機(jī)動(dòng)性能。此外，當(dāng)FCEV受到振動(dòng)或者沖擊時(shí)，各種管道的連接和密封的可靠性需要進(jìn)一步的提高，以防止泄漏，降低效率，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)安全事故。4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（3）經(jīng)濟(jì)且無(wú)污染地獲取純氫燃料還存在技術(shù)難點(diǎn)通過(guò)重整或改質(zhì)技術(shù)轉(zhuǎn)化傳統(tǒng)的化石燃料獲取純氫天然氣，不僅要消耗大量的能量，而且并沒(méi)有從根本上擺脫對(duì)化石能的依賴，也沒(méi)有從根本上消除對(duì)環(huán)境的污染。自然界中，氫能大量存儲(chǔ)在水中，雖然取之不盡，但直接使用熱分解或是電解的辦法從水中制氫顯然不劃算。因此多數(shù)科學(xué)家都將目光轉(zhuǎn)向了利用太陽(yáng)能，但是還存在許多技術(shù)障礙。目前，他們正在進(jìn)行太陽(yáng)能分解水制氫、太陽(yáng)能發(fā)電電解水制氫、陽(yáng)光催化光解水制氫、太陽(yáng)能生物制氫等方面的研究。只有到了能以再生性能源廉價(jià)地生產(chǎn)出氫燃料，氫燃料電池民用汽車的燃料問(wèn)題才算獲得了根本性解決。4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（4）氫燃料電池汽車燃料的供應(yīng)還有大量的技術(shù)問(wèn)題有待解決通常氫能以三種狀態(tài)存儲(chǔ)和運(yùn)輸：高壓氣態(tài)、液態(tài)和氫化物形態(tài)。用常用的壓縮氣體罐儲(chǔ)存的氫，只能供燃料電池汽車行駛150km，續(xù)駛里程太短，還不如蓄電池驅(qū)動(dòng)的汽車。由于氫氣是最小的分子，很容易造成泄漏。哪怕是微量的泄漏，都有可能造成極度可怕的后果。而在-253℃的條件下儲(chǔ)存液氫的深度制冷技術(shù)目前還很不成熟．就全球來(lái)說(shuō)，目前能夠加液氫的加氫站也沒(méi)有幾家。值得欣慰的是，儲(chǔ)氫材料的開(kāi)發(fā)已取得了一定的進(jìn)展。4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（5）供應(yīng)燃料輔助設(shè)備復(fù)雜，且質(zhì)量和體積較大在以甲醇或者汽油為燃料的FCEV中，經(jīng)重整器出來(lái)的“粗氫氣”含有使催化劑“中毒”失效的少量有害氣體，必須采用相應(yīng)的凈化裝置進(jìn)行處理，增加了結(jié)構(gòu)和工藝的復(fù)雜性，并使系統(tǒng)變得笨重。目前普遍采用氫氣燃料的FCEV，因需要高壓、低溫和防護(hù)的特種儲(chǔ)存罐，導(dǎo)致體積龐大，也給FCEV的使用帶來(lái)了許多不便。4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（6）稀有金屬鉑金Pt被大量應(yīng)用也制約著燃料電池電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用稀有金屬鉑金作為燃料電池必不可少的反應(yīng)催化劑，按照現(xiàn)有燃料電池對(duì)鉑金的消耗量，地球上所有的鉑金儲(chǔ)量都用來(lái)制作車用燃料電池，也只能滿足幾百萬(wàn)輛車的需求。4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（7）加氫站等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)幾乎為零目前全球范圍內(nèi)投入使用的加氫站僅有100多家，且大部分是用于實(shí)驗(yàn)用途的。如果說(shuō)技術(shù)和成本是科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)通過(guò)努力可以自行解決的問(wèn)題，那么相應(yīng)的配套設(shè)施建設(shè)則不是舉一人之力可以完成的，需要國(guó)家政策、產(chǎn)業(yè)鏈條、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等多方面的準(zhǔn)備，并及時(shí)制定完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，既涉及城市規(guī)劃、交通、電力等問(wèn)題，又要解決投資和經(jīng)營(yíng)者的獲利問(wèn)題，同時(shí)還要有效解決加氫的核心技術(shù)和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題。對(duì)于有一定行駛區(qū)間的公交車而言，這個(gè)問(wèn)題可能容易解決，但是對(duì)于私家車而言要解決這些問(wèn)題就任重而道遠(yuǎn)了。4.1.6燃料電池電動(dòng)汽車的優(yōu)缺點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知4.1.7燃料電池電動(dòng)汽車的各種結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)自主學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)目標(biāo)理論知識(shí)拓展閱讀實(shí)踐技能學(xué)習(xí)小結(jié)情境導(dǎo)入學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知1.純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)(PFC)的燃料電池電動(dòng)汽車具有如下優(yōu)點(diǎn)。1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和整體布置。2）系統(tǒng)部件少，有利于整車的輕量化。3）較少的部件使得整體的能量傳遞效率高，從而提高整車的燃料經(jīng)濟(jì)性。其主要缺點(diǎn)如下。1）燃料電池功率大，成本昂貴。2）對(duì)燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和可靠性要求很高。3）不能進(jìn)行制動(dòng)能量回收。4.1.7燃料電池電動(dòng)汽車的各種結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知基于純?nèi)剂想姵仄嚿鲜鲞@些不利因素，現(xiàn)在已較多地采用了混合驅(qū)動(dòng)這種結(jié)構(gòu)形式。既以燃料電池系統(tǒng)作為主動(dòng)力源，又增加了蓄電池組或超級(jí)電容或蓄電池組加超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力源，和燃料電池聯(lián)合工作，組成混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共同驅(qū)動(dòng)汽車。從本質(zhì)上來(lái)講，這種結(jié)構(gòu)的燃料電池電動(dòng)汽車采用的是類似混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)。它與傳統(tǒng)意義上的混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的不同僅在于動(dòng)力源是燃料電池而不是內(nèi)燃機(jī)。在燃料電池混合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)汽車中，燃料電池和輔助能量存儲(chǔ)裝置共同向電動(dòng)機(jī)提供電能，通過(guò)變速機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。4.1.7燃料電池電動(dòng)汽車的各種結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知2.“燃料電池+輔助蓄電池”混合驅(qū)動(dòng)的FCEV燃料電池與輔助蓄電池混合驅(qū)動(dòng)的燃料電池電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)如圖所示。在該動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，有燃料電池和蓄電池兩個(gè)動(dòng)力源。汽車的功率負(fù)荷由燃料電池和蓄電池共同承擔(dān)。即燃料電池和蓄電池一起為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供能量，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動(dòng)系，從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。在燃料電池和蓄電池聯(lián)合供能時(shí)，燃料電池的能量輸出變化較為平緩，隨時(shí)間變化波動(dòng)較小，而能量需求變化的高頻部分由蓄電池分擔(dān)。在燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，蓄電池提供電能用于空壓機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)的工作、電堆的加熱、氫氣和空氣的加濕等。在汽車制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，蓄電池將儲(chǔ)存回饋的能量。4.1.7燃料電池電動(dòng)汽車的各種結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知這種“燃料電池十輔助蓄電池”混合驅(qū)動(dòng)的FCEV具有如下優(yōu)點(diǎn)。1）由于增加了輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，且輔助蓄電池的比功率價(jià)格相對(duì)低廉得多，系統(tǒng)對(duì)燃料電池的功率要求較純?nèi)剂想姵亟Y(jié)構(gòu)形式有很大的降低，從而較大幅度地降低了整車成本。2）降低了對(duì)燃料電池動(dòng)態(tài)特性的要求。3）能夠回收再生制動(dòng)能量，增加整車的能量效率。4）汽車的冷啟動(dòng)性能較好。4.1.7燃料電池電動(dòng)汽車的各種結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知這種“燃料電池十輔助蓄電池”混合驅(qū)動(dòng)的FCEV具有如下優(yōu)點(diǎn)。1）由于增加了輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，且輔助蓄電池的比功率價(jià)格相對(duì)低廉得多，系統(tǒng)對(duì)燃料電池的功率要求較純?nèi)剂想姵亟Y(jié)構(gòu)形式有很大的降低，從而較大幅度地降低了整車成本。2）降低了對(duì)燃料電池動(dòng)態(tài)特性的要求。3）能夠回收再生制動(dòng)能量，增加整車的能量效率。4）汽車的冷啟動(dòng)性能較好。5）在車輛起步的時(shí)候和功率需求量不大的時(shí)候，蓄電池可以單獨(dú)輸出能量。6）燃料電池單獨(dú)或與動(dòng)力電池共同提供持續(xù)功率，在車輛啟動(dòng)、爬坡和加速等峰值功率需求時(shí)，動(dòng)力電池提供峰值功率。4.1.7燃料電池電動(dòng)汽車的各種結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知7）由于蓄電池分擔(dān)了能量需求變化的高頻部分，燃料電池可以在比較好的設(shè)定的工作條件下工作，工作時(shí)燃料電池的效率進(jìn)一步提高。8）蓄電池技術(shù)比較成熟，可以在一定程度上彌補(bǔ)燃料電池技術(shù)上的不足。該動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)如下。9）蓄電池的使用增加了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重量、體積和復(fù)雜性，使整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性受到影響。10）蓄電池充放電過(guò)程會(huì)有能量損耗，影響了能量轉(zhuǎn)換效率。11）增加了蓄電池的維護(hù)和更換費(fèi)用。12）系統(tǒng)的復(fù)雜化，增加了系統(tǒng)控制和整體布置的難度。4.1.7燃料電池電動(dòng)汽車的各種結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知3.“燃料電池+超級(jí)電容”混合驅(qū)動(dòng)的FCEV燃料電池與超級(jí)電容混合驅(qū)動(dòng)的與燃料電池與輔助蓄電池混合驅(qū)動(dòng)的FCEV結(jié)構(gòu)類似，只是把輔助蓄電池?fù)Q成了超級(jí)電容。在該動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，有燃料電池和超級(jí)電容兩個(gè)動(dòng)力源。汽車的功率負(fù)荷由燃料電池和超級(jí)電容共同承擔(dān)。即燃料電池和超級(jí)電容一起為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供能量，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動(dòng)系，從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)。蓄電池壽命短，成本高，使用要求復(fù)雜；而超級(jí)電容充放電效率高，能量損失小，比蓄電池功率密度大，在回收制動(dòng)能量方面比蓄電池有優(yōu)勢(shì)，循環(huán)壽命長(zhǎng)，使用成本低，但是超級(jí)電容的能量密度較小。隨著超級(jí)電容技術(shù)的不斷進(jìn)步，這種結(jié)構(gòu)將成為重要的研究課題及發(fā)展方向，有利于FCEV的商業(yè)化推廣和應(yīng)用。4.1.7燃料電池電動(dòng)汽車的各種結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知4.“燃料電池+輔助蓄電池+超級(jí)電容”混合驅(qū)動(dòng)的FCEV燃料電池與蓄電池和超級(jí)電容混合驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)如圖所示。它是在燃料電池與輔助蓄電池混合驅(qū)動(dòng)的FCEV的電壓總線上再并聯(lián)一組超級(jí)電容，用于提供加速或吸收緊急制動(dòng)的尖峰電流，減輕蓄電池負(fù)擔(dān)，延長(zhǎng)其使用壽命。4.1.7燃料電池電動(dòng)汽車的各種結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知這種動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，燃料電池、蓄電池和超級(jí)電容一起為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動(dòng)系，從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)；在汽車制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，蓄電池和超級(jí)電容將儲(chǔ)存回饋的能量。與“燃料電池+蓄電池”混合驅(qū)動(dòng)FCEV的比較，其優(yōu)勢(shì)更加明顯，尤其是在部件效率、動(dòng)態(tài)特性、制動(dòng)能量回饋等方面更有優(yōu)勢(shì)。在采用燃料電池、蓄電池和超級(jí)電容聯(lián)合供能時(shí)，燃料電池的能量輸出更為平緩，隨時(shí)間變化波動(dòng)較小，而能量需求變化的低頻部分由蓄電池承擔(dān)，能量需求變化的高頻部分由超級(jí)電容承擔(dān)。4.1.7燃料電池電動(dòng)汽車的各種結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知各動(dòng)力源的分工更加明細(xì)，使得它們的優(yōu)勢(shì)也得到了更好的發(fā)揮。而其缺點(diǎn)也一樣更加明顯。1）增加了超級(jí)電容，整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量增加。2）增加了超級(jí)電容，系統(tǒng)更加復(fù)雜化，系統(tǒng)控制和整體布置的難度也隨之增大。綜上對(duì)比3種混合驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，F(xiàn)C+B+C組合（“燃料電池+輔助蓄電池+超級(jí)電容”）被認(rèn)為能夠最大限度地滿足整車的啟動(dòng)、加速、制動(dòng)的動(dòng)力和效率需求，若能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行很好的匹配和優(yōu)化，這種結(jié)構(gòu)在給汽車帶來(lái)良好的性能方面具有更大的吸引力，但其成本最高，結(jié)構(gòu)和控制也最為復(fù)雜。目前燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)仍是FC+B組合。4.1.7燃料電池電動(dòng)汽車的各種結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知4.1.8燃料電池汽車結(jié)構(gòu)認(rèn)知自主學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)目標(biāo)理論知識(shí)拓展閱讀實(shí)踐技能學(xué)習(xí)小結(jié)情境導(dǎo)入學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知下面以豐田Mirai氫燃料電池汽車為例，說(shuō)明燃料電池汽車主要結(jié)構(gòu)部件。1．車輛準(zhǔn)備準(zhǔn)備豐田Mirai氫燃料電池汽車1輛，如圖所示。4.1.8燃料電池汽車結(jié)構(gòu)認(rèn)知學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知2．實(shí)踐操作（1）認(rèn)知豐田Mirai氫燃料電池汽車主要組件4.1.8燃料電池汽車結(jié)構(gòu)認(rèn)知學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（2）豐田Mirai氫燃料電池汽車工作原理4.1.8燃料電池汽車結(jié)構(gòu)認(rèn)知學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（3）儲(chǔ)氫罐4.1.8燃料電池汽車結(jié)構(gòu)認(rèn)知學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（4）燃料電池（燃料電池堆）豐田Mirai的燃料電池位于前排座椅下方，外觀如圖所示。燃料電池是整車的電力來(lái)源，在這里氫氣與氧氣發(fā)生產(chǎn)生電能。其能量密度達(dá)到了3.1Kw/L，發(fā)電總功率可達(dá)114kW。4.1.8燃料電池汽車結(jié)構(gòu)認(rèn)知學(xué)習(xí)單元4.1燃料電池汽車組成結(jié)構(gòu)認(rèn)知（5）儲(chǔ)能電池（可充電電池）儲(chǔ)能電池位于后排座椅后方，如圖所示。儲(chǔ)能電池雖然