科目新能源汽車概論任課教師授課班級課時2課時授課時間教學方法講授法章節名稱3.1燃料電池電動汽車一、燃料電池教學目標能夠描述燃料電池的分類方法。能夠闡述燃料電池的基本類型。能夠闡述燃料電池的特點。教學重點和難點重點燃料電池的基本類型。難點然料電池的特點。教學流程教學過程備注新課引入大家好，今天我們將要探索一種高效、環保的能源轉換技術——燃料電池。教學內容教學內容教學內容一、燃料電池1.燃料電池的定義燃料電池是將燃料發生電化學反應時產生的能量轉化為電能對外輸出的裝置。其基本工作原理如圖3-1所示。燃料電池是繼火電、水電、核電之后的第四種發電方式。從表面上看，燃料電池與蓄電池一樣，有正、負極和電解質等，都能輸出電能，但燃料電池不能通過充電的方法儲存電能，燃料電池本質上就是一個電化學反應器，其在反應過程中需要一直消耗燃料和空氣。2.燃料電池的類型燃料電池按照不同的分類方式，可以分為不同的類型。按其工作溫度分按燃料電池工作溫度的不同，可分為低溫、中溫和高溫三種。1）低溫燃料電池的工作溫度要低于200°C，電解質采用水溶液，但需要金屬鉑作為催化劑才能達到工作所需的高電壓及高電流密度，該電池所采用的燃料一般為氫氣或純化后的含氫燃料。代表電池有堿性燃料電池、質子交換膜燃料電池。2）中溫燃料電池的工作溫度為200~750°C。中溫燃料電池結合了高溫燃料電池和低溫燃料電池的優點，同時去掉了它們的部分缺點。工作溫度在200~750°C的中溫燃料電池能夠提高貴金屬催化劑的一氧化碳耐受能力，從而使得金屬和合成樹脂等材料有可能作為電池的連接和密封材料，這樣可以降低燃料電池的成本，還可以延長燃料電池的使用壽命。代表電池有磷酸燃料電池。3）高溫燃料電池的工作溫度要大于750°C。燃料電池需要用熔融鹽或固體氧化物作為電解質，高溫燃料電池能在不使用特殊催化劑的情況下達到一定的高電壓及高電流密度。高溫燃料電池的燃料選擇多樣，除氫氣外，還可采用天然氣、甲烷、沼氣等作為燃料。代表電池有熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。（2）按燃料的來源分按燃料電池燃料來源的不同，可將其分為直接式、間接式和再生式三種。1）直接式燃料電池的燃料主要是液態或氣態的純氫氣，這樣可以不用再利用汽化去產生氫氣，但還是需要鉑、金、銀等貴重金屬作為催化劑。直接式甲醇燃料電池也不用預先進行重整，直接就可以將甲醇在正極處轉化成二氧化碳和氫氣，但缺點在于需要比使用純氫燃料消耗更多的鉑催化劑。2）間接式燃料電池主要是將天然氣、甲烷、汽油、LPG、二甲醚等作為燃料，經過重整和純化后轉換為氫或含氫燃料再提供給燃料電池進行轉化。3）再生式燃料電池可以把燃料電池反應生成的水經合理的方法重新分解成氫,再循環輸送給燃料電池進行發電。（3）按燃料電池采用的電解質分根據燃料電池所使用的電解質的不同，可將其分為質子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態氧化物燃料電池等。1）質子交換膜燃料電池使用質子交換膜作為電解質，其工作溫度大約在80℃。在這樣的低溫下運行，需要利用電極上的一層鉑來進行催化，這樣才能夠確保電化學反應可以正常進行。質子交換膜燃料電池內唯一的液體為水，因此耐腐蝕性能好，電池的使用壽命較長。質子交換膜燃料電池即使在低溫狀態下也能夠在短時間內啟動，并且可以在短時間內就達到滿載運行，電流的密度和功率的密度比較高，發電效率可以達到50%，運行較為可靠，是目前電動汽車動力電源的不錯之選。質子交換膜燃料電池也可用來代替移動電源、小型發電裝置、便攜款電器的電源等作為使用。2）堿性燃料電池利用石棉網作為電解質的承載物件，將氫氧化鉀水溶液作為電解質，工作溫度一般在高溫(約為200℃)時會使用質量分數較高的氫化鉀作電解質，在溫度較低時(小于120℃)時則采用質量分數較低的氫化鉀作電解質。堿性燃料電池工作時需要以純氫氣當電池陽極的燃料氣體，用純氧為電池陰極上氧化劑，用金、銀等貴重金屬或者是其它的過渡金屬作為催化劑。堿性燃料電池的電解質腐蝕性較強，因而其使用壽命較短。與其他燃料電池相比，堿性燃料電池的優點是起動時間短，功率密度高，性能可靠，是目前技術水平比較成熟的燃料電池之一。堿性燃料電池還涉及到航天、軍事、發電等領域的應用。3）磷酸燃料電池所采用的電解質為磷酸水溶液，電池工作溫度在150~200℃之間，其電極跟質子交換膜電池一樣也需要用鉑作為催化劑來加速反應。在低溫時，其電池發電效率只能達到45%，燃料方面需要進行重整改質，改質后燃料中CO的體積分數必須小于0.5%。由于磷酸作為電解質具有一定的腐蝕作用，使磷酸燃料電池的使用壽命較低。如今磷酸燃料電池的技術已趨成熟，產品也順利進入商業化。磷酸燃料電池的缺點之一是起動時間長，因此，不適合用在轎車上，但其使用在公共汽車已有成功的案例。磷酸燃料電池也可以用作現場可移動電源及備用電源等使用。4）熔融碳酸鹽燃料電池的電解質為堿性碳酸鹽，其工作溫度大概在600~800℃。其電解質在高溫下會出現熔融狀態，在高溫下電極反應不需要鉑等貴重金屬催化劑。該電池可以直接將天然氣和石油等化合物作為燃料，因其工作溫度高，所以發電的效率比較高因。但是由于其需要經過比較長的工作時間才能達到需要的工作溫度，所以熔融碳酸鹽燃料電池不能作為電動汽車的電池。而且由于其電解質的溫度和腐蝕特性，熔融碳酸鹽燃料電池也不適合用作移動電源或者是便攜式電器的不間斷電源。由于熔融碳酸鹽燃料電池具有較高的發電效率，因此將它用于大規模的發電場所是一種比較不錯的選擇。5）固態氧化物燃料電池的電解質是采用了固態的金屬氧化物，工作溫度較高達到了650~1000℃。固態氧化物燃料電池的電極部分也無需鉑等貴重金屬作為催化劑使用，而且由于是固態的電解質，所以不會有電解質蒸發和電池材料腐蝕的問題，電池的使用壽命較長。目前，固態氧化物燃料電池壽命可以達到連續工作70000小時。固態氧化物燃料電池也可以使用天然氣和石油等化合物作為燃料。燃料在其內部可以進行重整改質。由于固態氧化物燃料電池工作溫度很高，電池不易密封，起動的時間也很長，所以不能作為緊急電源使用，但可以用作中小容量的分散型電源(500kW~50MW)，也可以用于大容量的集中型電廠(大于100MW)。上述5種燃料電池的特點對比可以詳見表燃料電池的特點種類堿性燃料電池磷酸燃料電池質子交換膜燃料電池碳酸鹽燃料電池固態氧化物燃料電池電解質KOH水溶液磷酸水溶液質子交換膜堿性碳酸鹽氧化鋯陶瓷工作穩定/°C70~200150~20080600~800650~1000燃料H2H2H2、甲醇、天然氣等CO、H2CO、H2氧化劑02空氣空氣或O2空氣空氣啟動時間幾分鐘2~4h幾分鐘大于10h大于10h主要優點啟動快、效率高，可在室溫下工作對Co不敏感啟動快、比功率高、工作溫度低、使用壽命長效率高、無須貴重金屬作為催化劑效率高、無須貴重金屬作為催化劑主要缺點需用純氧化劑，有腐蝕性效率較低，有腐蝕對CO敏感，成本較高工作溫度較高，控制復雜，有腐蝕工作溫度高，控制復雜，有腐蝕主要應用領域航天、軍事大客車，中小電廠航天、軍事、電動汽車大型電廠大型電廠從上面的對比表格中可以看出，其中質子交換膜燃料電池工作溫度低、起動時間短、效率較高，因此是電動汽車用燃料電池的最佳選擇。課堂小結燃料電池的分類方法。燃料電池的基本類型。燃料電池的特點。本課作業課后反思科目新能源汽車概論任課教師授課班級課時2課時授課時間教學方法講授法章節名稱3.1燃料電池電動汽車二、、質子交換膜燃料電池教學目標能夠描述質子交換膜燃料電池單體結構。能夠闡述質子交換膜的要求。能夠闡述質子交換膜燃料電池工作原理。教學重點和難點重點質子交換膜燃料電池單體結構。難點質子交換膜燃料電池工作原理。教學流程教學過程備注新課引入“你們知道電動汽車是如何工作的嗎？”“有沒有一種電池可以在不燃燒燃料的情況下產生電能？”教學內容教學內容教學內容1.質子交換膜燃料電池單體結構質子交換膜燃料電池單體主要由膜電極、雙極板、端板、密封墊片、氣體通道等組成。(1)膜電極膜電極是質子交換膜與兩側的氣體擴散層(陰、陽電極)通過熱壓而成的結合體。膜電極是質子交換膜燃料電池的核心部件，其結構如圖3-8所示。質子交換膜是一種厚度僅為50μm的薄膜片，是電極活性物質(催化劑)的基底。由于結構、工藝和生產批量等方面的原因，質子交換膜的制造成本很高。質子交換膜是質子交換膜燃料電池的核心技術，其化學、物理性質對質子交換膜燃料電池性能的影響極大。因此，對質子交換膜有如下要求:1）質子交換膜表面與催化劑之間有良好的結合性能。2）應具有一定的含水率。3）在當前極薄的結構尺寸設計下還應該具有一定的機械強度。4）在電池工作時具有良好的化學穩定性。5）具有良好的離子導電性能。催化劑是質子交換膜燃料電池的另一項核心技術。為了加速正極上氫氣的氧化反應和負極上氧氣的還原反應，在氣體擴散的電極上放有一定量的催化劑。目前的催化劑通常會采用金屬鉑。金屬鉑是價格比較昂貴的資源。剛開始的膜電極是將金屬鉑直接通過熱壓技術壓到電解質膜的兩側。采用這種方法使得鉑的實際用量較高，從而導致了燃料電池的成本過高。如今通過采用碳載鉑的技術和涂膏法、澆注法、滾壓法、電化學催化法等制備工藝，大大提高了金屬鉑的利用率，從而使燃料電池的成本能夠控制可控范圍之內。好的氣體擴散電極需要有一定的的親水性和疏水性，可以確保催化劑工作時處于最佳的環境，同時還能把反應生成的水及時排出去，從而避免電極全是水。(2)雙極板雙極板又叫集流板，安裝位置在膜電極的兩側，可把各個電池單體串聯起來。雙極板的兩端分別與相鄰兩電池單體的陽極和陰極接觸，這樣可以不使用導線就可把各電池單體串聯在起來。雙極板不僅有導電和串聯各電池單體作用，還能夠利用它表面的導流槽起到一定的導流燃料、氧氣及冷卻水的作用。2.質子交換膜燃料電池工作原理（1）陽極進入的氫氣通過雙極板經由陽極氣體擴散層到達陽極催化劑位置，接著在陽極催化劑的作用下，氫分子分解為H＋(氫離子)和e－(電子)。陽極處的反應式：2H2→4H＋+4e－（2）外部電路氫離子穿過膜電極到達陰極催化劑層，而電子則由雙極板收集，通過外電路到達陰極，電子在外電路形成電流，通過適當連接可向負載輸出電能。（3）陰極在電池陰極一側，氧氣通過陰極集流板(雙極板)經由陰極氣體擴散層到達陰極催化劑層。在陰極催化劑的作用下，氧與透過膜的氫離子及來自外電路的e－(電子)發生反應生成水，完成陰極反應；電極反應生成的水大部分由尾氣排出，一小部分在壓力差的作用下通過膜電極向陽極擴散。陰極處的反應式：O2+4e－+4H＋→2H2O總反應式：2H2+O2→2H2課堂小結質子交換膜燃料電池單體結構。質子交換膜的要求。質子交換膜燃料電池工作原理。本課作業課后反思科目新能源汽車概論任課教師授課班級課時2課時授課時間教學方法講授法章節名稱3.1燃料電池電動汽車三、燃料電池電動汽車技術教學目標能夠描述燃料電池電動汽車的分類。能夠闡述燃料電池電動汽車的基本結構。能夠闡述燃料電池電動汽車各部件的作用。教學重點和難點重點燃料電池電動汽車的分類。難點燃料電池電動汽車的基本結構。教學流程教學過程備注新課引入“你們認為燃料電池電動汽車與傳統的內燃機汽車有什么不同？”“燃料電池電動汽車是如何工作的？”教學內容教學內容教學內容1.燃料電池電動汽車的類型（1）按有無蓄能裝置分類根據燃料電池電動汽車是否配備蓄能裝置，可將燃料電池電動汽車分為純燃料電池電動汽車和混合型燃料電池電動汽車兩大類。1）純燃料電池電動汽車的燃料電池是作為電動汽車的唯一電能來源。該類型的燃料電池電動汽車要求燃料電池的功率要大，而且因為沒有汽車制動回收能量功能，所以這種純燃料電池電動汽車目前應用較少。2）混合型燃料電池電動汽車的結構上除了燃料電池以外，還同時加裝了蓄能裝置（動力電池）。依靠蓄能裝置可協助供電的能力，從而可以減小燃料電池的功率，并且蓄能裝置的存在還可以使用汽車制動時能量功能。顯著提高了燃料電池電動汽車的能量利用率。這種燃料電池電動汽車應用比較多，（2）按“多電源”的配置不同分類分為純燃料電池驅動的車輛、由燃料電池和輔助電池(FC+B)驅動的FCEV、燃料電池和超級電容器聯合驅動(FC+C)的FCEV、由燃料電池、輔助電池和超級電容器驅動的FCEV。1）純燃料電池驅動的車輛(FCEV)的電源只有燃料電池一個，車輛的所有用電負荷都由燃料電池獨自承擔。燃料電池系統會將氫氣和氧氣反應后產生的電能輸送給驅動電機，驅動電機再將得到的電能轉換為機械能對外輸出給傳動系統。2）由燃料電池和輔助電池(FC+B)驅動的FCEV這種結構的動力系統下，燃料電池系統和輔助類的電池共同為驅動電動機提供能量，再由驅動電動機將電能轉換為機械能輸出給傳動系統。3）燃料電池和超級電容器聯合驅動(FC+C)的FCEV這種結構是將輔助電池由超級電容器來進行代替。與輔助電池相比，超級電容器具有更高的充放電效率、更少的能量損耗、更高的功率密度和更長的循環壽命，但其能量密度較小。隨著超級電容器技術的不斷進步，這種結構將成為一個新的重要的研究方向。圖3-14燃料電池與超級電容共同驅動車輛動力系統結構4）由燃料電池、輔助電池和超級電容器驅動的FCEV這種結構不僅為燃料電池提供動力，也為輔助電池和超級電容提供動力，驅動電機工作。圖3-14燃料電池與超級電容共同驅動車輛動力系統結構（3）按燃料電池與蓄電池的結構關系分類根據混合型燃料電池電動汽車中燃料電池和蓄電池的電路結構，可將混合型燃料電池電動汽車分為串聯式和并聯式兩種1）串聯式燃料電池電動汽車的燃料電池作為車載發電裝置，利用DC/DC轉換器進行電壓變換后對動力電池進行充電，再由動力電池向電動機提供驅動車輛的電力。串聯式燃料電池電動汽車的優點是可以用功率相對較小的燃料電池，但要增大動力電池額定容量及功率，并且燃料電池發出的電能需要經過電化學轉換過程，過程中具有一定能量轉換損失。目前，串聯式燃料電池電動汽車較為少見。2）并聯式燃料電池電動汽車采用燃料電池和動力電池共同向電動機提供動力。根據燃料電池與動力電池能量大小的不同，又可以分為大燃料電池型和小燃料電池型兩種電動汽車。大燃料電池的電動汽車電力來源主要依靠燃料電池，動力電池的容量就較小，一般會在電動汽車剛起步時、加速時、爬坡等需要大功率的行駛工況下才協助工作，并且還能在車輛減速與制動時進行能量回收。而小燃料電池電動汽車則需要使用較大容量的動力電池，由動力電池提供大部分的電力，而燃料電池只負責協助供電，跟大燃料電池相反。并聯式燃料電池電動汽車是目前電動汽車上應用較多的形式。（4）按提供的燃料不同分類按燃料電池所提供的燃料不同，燃料電池電動汽車又可以分為直接燃料電池電動汽車和重整燃料電池電動汽車兩種。1）直接燃料電池電動汽車的電池燃料主要是純氫，也可以用甲醇等燃料代替。直接燃料電池電動汽車的結構簡單、質量輕、能量效率高、成本低。但是其對儲氫裝置的技術要求比較高。2）重整燃料電池電動汽車的燃料主要有汽油、天然氣、甲醇、甲烷、液化石油氣等。重整燃料電池電動汽車的結構要比直接燃料電池電動汽車要復雜得多。比如，汽油重整燃料電池電動汽車需要對汽油進行1000℃左右的加熱以分解出氫氣。而且無論采用的是什么燃料，重整燃料電池電動汽車都需安裝重整裝置才能將其轉化為燃料電池所需要用的氫。目前的燃料電池電動汽車采用重整技術的相對較少，大都以純氫為車載氫源。2.燃料電池電動汽車的結構（1）燃料電池電動汽車的基本結構現在的燃料電池電動汽車絕大多數采用的是混合式燃料電池驅動系統，即將燃料電池與輔助動力源相結合，燃料電池可以只滿足持續功率需求，借助輔助動力源提供加速，爬坡等所需的峰值功率，而且在制動時可以將回饋的能量儲存在輔助動力源中。混合式燃料電池電動汽車的動力系統主要由燃料電池系統、輔助動力源、DC/DC轉換器DC/AC轉換器、驅動電動機、電子控制系統等組成。1）燃料電池系統燃料電池系統包括燃料電池本體、氫氣供應系統、氧氣供應系統、水管理系統、熱管理系統等。2）氫氣供給系統的儲存方式主要有低溫、高溫液化氫和高壓氣態的氫氣三種。其中氣態的氫氣儲存裝置需要采用高壓儲氫罐作為容器。如果采用液態氫氣的話，那么結構上不僅需要使用高壓儲氫罐，還需要低溫的恒溫裝置來配合使用。3）氧氣供給系統，其作用是用來提供電化學反應所需的氧氣，可以是純氧，也可以是空氣。氧氣的來源靠電機驅動的送風機或者是空氣壓縮機供給。氧氣供給系統的裝置、管路、閥門等有一定的密封要求，其密封性能需要與氫氣供給系統相同。4）水管理系統的應用在于燃料電池在電化學反應時在電池陰極處會產生水，需要及時排出去，以免造成燃料電池失效。對于質子交換膜燃料電池，質子傳導需要有水參與，要是水不夠會影響電解質膜的質子傳導性，進而影響電池的性能。5）熱管理系統的作用是將電池產生的部分熱量帶走，避免因電池溫度過高從而燒壞電解質膜。熱管理系統中還包括泵(或風機)、散熱器等部件。最常用的傳熱介質是水和空氣。只有這些輔助系統匹配恰當和運轉正常，才能保證燃料電池系統正常運轉，保證電能的輸出。（2）輔助動力源根據燃料電池電動汽車的設計不同，車輛所采用的輔助動力源也有不同，主要有蓄電池組、飛輪儲能器或超大容量電容器等。在具有雙電源系統的燃料電池電動汽車上，驅動電動機的電源可以出現以下幾種驅動模式：1）車輛起動時，驅動電機的電力由輔助動力源進行供給。2）當車輛行駛時，燃料電池系統來負責提供驅動所需全部電能，多出的電能則會被儲存到輔助動力源中。3）而在車輛加速和爬坡時，若燃料電池系統提供的電能不足以滿足電動汽車驅動的要求，則會由輔助動力源共同提供電力，以此來滿足車輛的動力要求。（3）DC/DC轉換器DC/AC轉換器燃料電池所產生的直流電需要利用DC/DC變換器進行電壓大小的調節，電壓輸出給交流電動機時，還需利用DC/AC轉換器把直流電轉換為交流電。燃料電池電動汽車中的DC/DC轉換器主要實現以下三個功能：1）調節燃料電池的輸出電壓；2）調節整車能量分配；3）穩定整車直流母線電壓。（4）驅動電動機驅動電動機主要用來將電源所提供的電能轉換為機械能輸出給傳動裝置驅動車輛行駛。驅動電機正朝著大功率、高轉速、高效率和小型化的方向發展。燃料電池電動汽車用的驅動電動機主要有直流電動機、交流電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機等。當前主要使用交流電動機和永磁無刷電動機居多。（5）電子控制系統燃料電池電動汽車的電子控制系統主要由燃料電池系統控制器、DC/DC轉換器、輔助儲能裝置能量管理系統、電動機驅動控制及整車協調控制器等部件組成課堂小結燃料電池電動汽車的分類。燃料電池電動汽車的基本結構。燃料電池電動汽車各部件的作用。本課作業課后反思科目新能源汽車概論任課教師授課班級課時2課時授課時間教學方法講授法章節名稱3.1燃料電池電動汽車四、典型燃料電池電動汽車應用實例教學目標能夠描述燃料電池動力系統的基本組成。能夠闡述第二代豐田Mirai的基本結構。教學重點和難點重點燃料電池動力系統的基本組成。難點第二代豐田Mirai的基本結構。教學流程教學過程備注新課引入“你們認為燃料電池電動汽車與傳統的內燃機汽車有什么不同？”“燃料電池電動汽車是如何工作的？”教學內容教學內容教學內容1.本田Clarity燃料電池汽車本田早在二十世紀80年代就開始研發燃料電池系統。2008年，本田推出FCXClarity車型用于出租，這臺車擁有先進的燃料電池技術，受到市場的認可。到了2016年，隨著燃料電池技術的進一步發展，本田燃料電池汽車也達到了新的高度，本田Clarity2016款就此問世。它比以前的燃料電池電動汽車更加實用，并且能提供更多的駕駛樂趣，同時實現真正的零排放。本田Clarity燃料電池電動汽車主要由燃料電池動力系統、鋰離子電池、高壓儲氫罐等組成。它的70MPa儲氫罐可以存儲高達5kg的高壓氫氣，理論上續航里程可以達到750km。。燃料電池動力系統，主要由燃料電池堆、升壓變頻器、PCU動力控制單元、驅動電機等組成，燃料電池堆的最大功率可以達到103KW，能量密度可以做到3.1KW/L，驅動電機最大功率為130kW，最大扭矩為300Nm。2.豐田Mirai燃料電池汽車豐田第一代Mirai于2014年11月正式推出，是世界上首款商業化的燃料電池汽車，具有重要的里程碑意義。與第一代Mirai的燃料電池堆相比，第二代Mirai搭載的燃料電池堆具有更高的性能及更低的成本，從而有效地促進燃料電池電動汽車的普及。第二代Mirai是基于豐田TNGA架構打造的，驅動電機放置在車輛后軸附近。高度集成化的燃料電池管理系統則被放置在車輛前引擎蓋下方（第一代Mirai則是采用前驅電機的布局）。底盤的空間優勢使得儲氫罐的容量得以提升，氫氣罐升級為三個，并且呈T字型布局設置在后排座椅和行李箱的下方，三個儲氫罐可裝載5.6kg氫氣（老款為4.6kg）。這也使得第二代Mirai的續航里程相比第一代提升了30%，達到845公里。電池方面采用了固態聚合物氫燃料電池，體積更小但功率密度更高，燃料電池DC-DC轉換器也比老款型號小21％，輕2.9kg。全新Mirai驅動電機最大功率為184馬力，峰值扭矩為300牛·米，最高時速可達175km/h。第二代豐田Mirai主要由以下幾部分組成：燃料電池堆、高壓氫氣罐、空氣壓縮機、冷卻系統、升壓轉換器、電池、電機、電源控制單元課堂小結燃料電池動力系統的基本組成。第二代豐田Mirai的基本結構。本課作業課后反思科目新能源汽車概論任課教師授課班級課時2課時授課時間教學方法講授法章節名稱3.2其他能源動力汽車一、燃氣汽車教學目標能夠描述燃氣汽車常見燃料理化特性。能夠闡述壓縮天然氣汽車的基本結構。能夠闡述液化石油氣汽車的基本結構教學重點和難點重點壓縮天然氣汽車的基本結構、液化石油氣汽車的基本結構。難點燃氣汽車常見燃料理化特性。教學流程教學過程備注新課引入“你們知道這些汽車與傳統汽車有什么不同嗎？”或者“這些汽車使用的燃料是什么？教學內容教學內容教學內容一、燃氣汽車將可燃氣體作為燃料的汽車稱為燃氣汽車。常見的燃氣汽車根據使用的燃氣不同，可以分為壓縮天然氣汽車(CNGV)、液化天然氣汽車（LNGV）、液化石油氣汽車(LPGV)。液態天然氣需要在-162°C的溫度下進行儲存，由于存儲液化天然氣成本高，所以，一般都將天然氣以壓縮的形式存儲。按照燃料種類的不同可以將燃氣汽車分為單燃料燃氣汽車，兩用燃料汽車，雙燃料汽車。1.壓縮天然氣汽車CNGV壓縮天然氣是指將天然氣壓縮到20MPa的高壓，經過脫水、脫硫凈化處理后，經多級加壓,最后將其充入至汽車后部、上部或支架的高壓筒形氣瓶儲存。壓縮天然氣使用時的狀態為氣態。如圖3-30所示為壓縮天然氣儲氣瓶。壓縮天然氣的主要成分是甲烷（占比在90％以上）,還包含乙烷、丙烷、丁烷等其它少量物質。壓縮天然氣的特點與液化石油氣類似,熱值高、抗爆性能好、著火溫度高。壓縮天然氣汽車是以壓縮天然氣作汽車燃料的車輛，對目前在用車來說，可以將定型的汽油車改裝，在保留原車燃料供給系統的情況下，額外增加一套專用的壓縮天然氣供給裝置，成為壓縮天然氣汽車，燃料供給的轉換只需要撥動切換開關即可。加充一次天然氣可行駛200公里左右，特別適合公共汽車、市內出租車、往返里程不超過200公里的中巴車等使用。（1）壓縮天然氣汽車相比燃油車的優勢1）壓縮天然氣汽車的維護成本低于其他燃料動力汽車。2）可以延長潤滑油的使用壽命，因為天然氣不像燃油會污染和稀釋機油。3）壓縮天然氣汽車的尾氣排放大大降低，CO降低80%，HC降低60%，NOx降低70%。4）天然氣的價格低于汽油和柴油，燃料費用相比可以節省50%左右，大幅降低用車成本。5）安全性強。天然氣燃點在650℃以上，比汽油燃點427℃高出223℃，不易點燃。6）抗爆性能好。辛烷值高，可達130，比汽油辛烷值高得多。7）改裝成本低，目前，一輛汽車加裝CNG系統僅需1萬元左右。（2）壓縮天然氣汽車組成壓縮天然氣汽車主要由高壓電磁閥、高壓減壓器、低壓電磁閥、ERP閥、混合器、電子節氣門、防喘振閥、電控模塊等組成。圖3-32壓縮天然氣汽車結構圖3-32壓縮天然氣汽車結構1）高壓電磁閥的作用是及時切斷或恢復燃料的供給。2）高壓減壓器主要是通過壓力膜片調整節流孔的流通面積，可以將高壓的壓縮天然氣減壓至7~9Mpa的低壓天然氣。3)低壓電磁閥由線圈驅動閥芯，再由ECM控制其開閉，能夠及時切斷或恢復燃料供給。4）電控調壓器部件(EPR閥)內部有一個控制芯片，該芯片可以接受來自ECM的控制指令，借助高速電磁閥來控制天然氣的供氣量，從而控制天然氣的噴射量。5）混合器用來將天然氣和冷卻后的空氣充分混合，可以使燃燒更加充分、柔和，從而有效降低NOx的排放。6）電子節氣門原理是由發動機ECM通過控制節氣門的開度大小，控制進入缸內的氣體的量，從而控制發動機的轉速和負荷。當駕駛員踩下油門踏板時，踏板將信號傳遞給發動機ECM，ECM再根據發動機運行工況控制節氣門開度。7）電控模塊ECM是壓縮天然氣發動機核心部件，可以利用各種傳感器信號來實時監控發動機的運行工況，再根據發動機的工況來控制各執行器的工作。8）防喘振閥當發動機突然減速時，利用其上面的通氣軟管將節氣門后的低壓壓力傳遞到防喘振閥的壓力反饋接頭上，接著打開閥的單向膜片，使增壓器前后的壓力達到平衡狀態，從而避免增壓器出現喘振現象起到保護增壓器的作用。（3）壓縮天然氣汽車基本工作原理壓縮天然氣經過濾清器過濾后，通過高壓電磁閥進入到高壓減壓器，利用高壓減壓器將高壓的壓縮天然氣(大約20bar-30bar)減壓后壓力降至7bar-9bar。由于天然氣在減壓過程中會因壓力的降低導致體積出現膨脹，膨脹后會吸收大量的熱量，為防止高壓減壓器出現結冰現象，可以利用發動機冷卻液在高壓減壓器里對天然氣進行加熱。減壓后的壓縮天然氣進入EPR閥內，EPR根據發動機ECM的指令，來調整壓縮天然氣的供給量。壓縮天然氣與空氣在混合器中混合，再一起進入發動機缸內進行燃燒，其中火花塞的點火時間由發動機ECM決定，借助氧傳感器的閉環控制即時地監控尾氣中的氧含量，發動機ECM再根據氧傳感器的反饋信號及時修正壓縮天然氣供給量。2.液化石油氣汽車LPGV液化石油氣是一種烴類混合物（含3個或4個碳原子的烴類如丙烷（C3H8）、丙烯（C3H6）、丁烷（C4H10）、丁烯（C4H8）為主）。液化石油氣比空氣重，有較高的辛烷值，具有混合均勻、燃燒充分、不積碳、不稀釋潤滑油等優點，能夠延長發動機使用壽命，而且一次載氣量大、行駛里程長。以液化石油氣（LPG）為燃料的汽車稱為LPG汽車，目前大多數液化石油氣車為兩用燃料車，發動機可以在兩種燃料之間進行切換，但兩種燃料不允許同時混用，一次只允許一種燃料。（1）液化石油氣汽車系統組成液化石油氣汽車主要由儲氣瓶、汽化器、LPG電磁閥、汽油電磁閥、混合器、燃料轉換開關、控制電路等組成。1）儲氣瓶安裝在行李艙內，其作用是儲存LPG，上面安裝了集成閥，可以用來確保儲氣罐的安全使用。2）汽化器把儲氣瓶的LPG經過減壓汽化后，以一定壓力供給混合器。為加速汽化，采用發動機的循環冷卻水進行加熱。3）LPG電磁閥和汽油電磁閥LPG供氣管路中安裝了一個LPG電磁閥，汽油管中安裝了一個汽油電磁閥，其作用是在燃料轉換時接通(切斷)液化石油氣或汽油。4）混合器安裝在空濾器和汽化器之間，使液化石油氣在此與空氣進行混合。5）燃料轉換開關用于實現汽油和LPG兩種燃料之間的選擇、轉換。（2）液化石油氣汽車基本工作原理：當燃料轉換開關撥到液化石油氣位置時，汽油電磁閥斷電(切斷汽油供給)，LPG電磁閥通電。液化石油氣從儲氣罐出來，經過LPG電磁閥到達汽化器，經過降壓、汽化變為接近大氣壓的氣體。LPG氣體流經燃料閥到混合器，在混合器中與空氣充分混合，緊接著根據發動機的具體工況向發動機供應一定量的混合氣體。課堂小結燃氣汽車常見燃料理化特性。壓縮天然氣汽車的基本結構。液化石油氣汽車的基本結構本課作業課后反思科目新能源汽車概論任課教師授課班級課時2課時授課時間教學方法講授法章節名稱3.2其他能源動力汽車二、生物燃料汽車教學目標能夠描述生物燃料基本分類及組成。能夠闡述燃料汽車燃料供給系統結構。能夠闡述生物柴油特點教學重點和難點重點燃料汽車燃料供給系統結構難點生物柴油特點教學流程教學過程備注新課引入生物燃料汽車是指使用生物燃料作為動力的汽車，這些生物燃料通常是由生物質轉換得到的，如生物柴油和燃料乙醇教學內容教學內容教學內容生物燃料汽車是以生物燃料作為動力源的一種新型汽車。生物燃料(bio-fuel)指的是由生物本身組成或萃取的燃料，主要用來代替汽油和柴油，是目前可再生能源開發利用的主要方向。所謂的生物質是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產生的各種有機體，即一切有生命的可以生長的有機物質。它包括植物、動物和微生物，不同于石油、煤炭、核能等傳統燃料，這些新興的燃料是可再生燃料。當前汽車運用比較多的生物燃料為醇類燃料和生物柴油。1.醇類燃料醇類燃料是指甲醇（CH3OH）和乙醇（C2H5OH），都屬于含氧燃料，以甲醇為燃料的汽車稱為甲醇汽車，以乙醇為燃料的汽車稱為乙醇汽車。（1）醇類燃料的來源甲醇是由一氧化碳和氫氣合成，是一種無色透明的液體，易揮發且易燃。甲醇主要由天然氣、重油、石腦油、液化石油氣、煤炭、油頁巖、木材和垃圾等物質進行提煉獲取。乙醇又稱酒精，生產方法主要有發酵法、乙烯水合法等，生產原料主要有三類：1）含糖農作物，如甘蔗、甜菜等。2）淀粉農作物，如玉米、小麥、紅薯等。3）纖維素原料，如木材、木屑等。（2）醇類燃料燃燒方式醇類燃料在汽車發動機上的燃燒方式可分為三類：摻燒、純燒和改質。1）摻燒指的是醇類燃料以不同體積比例與汽油或者柴油摻雜著一起在發動機內部進行燃燒做功。2）純燒是指單純燃燒甲醇或者乙醇燃料。3)改質指的是對醇類燃料進行改質。（3）醇類燃料汽車燃料供給系統結構醇類燃料汽車燃料供給系統主要由油箱、燃油泵總成(燃油泵、粗細濾清器等)、油管、噴油器等組成，與傳統汽車電控燃料供給系統基本相同。（4）醇類燃料的特點1）醇類燃料具有節能、安全、原料來源廣泛、抗爆性好的特點，缺點是冷車起動較為困難、動力性能相較汽油機略微有所下降、發動機容易產生磨損。2）醇類燃料在汽車上常見的燃燒方式中主要采用摻燒作為在汽車上的主