燃料電池汽車發展綜述1汽車工程學院臧銳南京交通職業技術學院00引言00人與自然和諧共生的現代化積極穩妥推進碳達峰碳中和，立足我國能源資源稟賦，堅持先立后破，有計劃分步驟實施碳達峰行動，深入推進能源革命，加強煤炭清潔高效利用，加快規劃建設新型能源體系，積極參與應對氣候變化全球治理。引言新能源新能源汽車00新能源汽車一次能源：石油二次能源：汽油一次能源：新能源二次能源：？？可再生能源的載體：電和氫引言燃油汽車00引言根據《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012―2020年）》所指新能源汽車主要包括純電動汽車、插電式混合動力汽車及燃料電池汽車。00北京冬奧會是迄今為止第一個碳中和的冬奧會北京冬奧會示范運行超1000輛氫能源汽車，配備30多個加氫站。（豐田汽車、北汽集團、宇通客車、福田汽車等車企的氫燃料電池汽車）北京冬奧會充分展示了氫能應用潛力，有益于氫燃料電池汽車的產業化推進。實現100%可再生能源滿足場館常規電力消費需求全球最大的一次燃料電池汽車示范引言燃料電池汽車與北京冬奧會氫

燃料電池

電動汽車00燃料電池汽車燃料驅動形式動力源氫燃料電池電動汽車引言目錄CONTENTS123氫的認識燃料電池汽車概述燃料電池結構與工作原理4國內外燃料電池汽車發展現狀01氫能的認識假設你被遺落在火星基地，需要種土豆才能生存下去。如何在火星上種土豆？土豆的生長需要什么？01氫能的認識01氫能的認識

Ir視頻中可以反應出氫氣的特性有哪些？氫的密度低氫氣易爆炸氫氣可以和氧氣反應生成水氫氣的爆炸極限是4.0％～75.6％（體積分數）01氫能的認識2.氫的特點氫氣的應用場景有哪些？01氫能的認識氫的應用012.氫的應用氫能的利用方式主要有以下三種1）通過燃料電池轉化為電能。2）直接燃燒。3）核聚變。類別用途舉例全能源系統支持大規模可再生能源的整合和發電，化石能源制氫＋CO2捕捉和儲存大規模儲能，其優勢可超過蓄水電站區域能源系統跨部門和地區分布式能源熱電聯供提高能源系統彈性的緩沖器中等規模儲能氫的終端利用脫碳運輸燃料車、船、飛機、火箭等脫碳工業能源工業用電、熱等脫碳的建筑熱、電和冷聯供家居、辦公室、數據中心清潔的工業原料合成氨、天然氣、甲醇。無碳煉鐵氫能的認識01

3.氫的來源

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。氫能的認識013.氫的來源氫能的認識02燃料電池結構與工作原理在結構上燃料電池汽車與純電動汽車有哪些不同，又有哪些相似點？02燃料電池結構與工作原理燃料電池發展02典型燃料電池外觀燃料電池（FuelCell）是一種不經過燃燒過程直接以電化學反應方式將燃料（氫氣）和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的高效發電裝置，是繼水力發電、火力發電、化學發電之后的第四種發電方式。燃料電池可以持續發電，且生成物主要是水，基本不排放有害氣體，因此更加清潔環保。2.1燃料電池的概念燃料電池結構與工作原理02

2.2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。燃料電池結構與工作原理022.3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。燃料電池結構與工作原理02燃料電池基礎知識燃料電池分類（依據電解質）質子交換膜電池輸出功率密度高，可在室溫條件下工作同時起動迅速，主要應用于新能源汽車。02氫燃料電池的基本結構由電極（氫氣陽極和氧氣陰極）、電解質隔膜和雙極板組成。電極：燃料氧化和還原的電化學反應發生的場所，分為陰極與陽極兩部分。電解質隔膜：分隔氧化劑與還原劑并同時傳導離子。雙極板：收集電流的作用。2.4質子交換膜燃料電池的工作原理燃料電池結構與工作原理02質子交換膜燃料電池的工作原理燃料電池結構與工作原理02質子交換膜燃料電池工作原理燃料電池結構與工作原理陽極陰極02燃料電池結構與工作原理FuelCellLithium-ionbatteryVS電極電解質隔膜陰極（正極）：氧氣陽極（負極）：氫氣質子交換膜質子交換膜LiPF6負極：？正極：？PE/PP02燃料電池結構與工作原理相似點：產生電能的本質相同不同點：產生電能的來源不同FuelCellLithium-ionbattery電池（化學電池）：又稱化學電源，是一種將物質的化學能通過化學氧化還原反應直接轉變成電能的裝置或系統。VS02燃料電池結構與工作原理2.5燃料電池結構組成02燃料電池結構與工作原理質子交換膜（PEM）02質子交換膜（(ProtonExchangeMembrane,PEM）

PEM是質子交換膜燃料電池的核心部件，是一種厚度僅為數十微米的薄膜片。

它是一種選擇透過性膜，僅為質子（H+）傳輸提供通道，同時作為隔膜將陽極的燃料與陰極板的氧化劑隔開。

目前最常用的商業化PEM是全氟磺酸膜。燃料電池結構與工作原理02燃料電池結構與工作原理02燃料電池結構與工作原理電催化劑02電催化劑

電催化劑（Catalyst）是燃料電池的關鍵材料之一，其作用是降低反應的活化能，促進氫、氧在電極上的氧化還原過程，提高反應速率。目前主要為Pt/C催化劑。燃料電池結構與工作原理02燃料電池結構與工作原理02燃料電池結構與工作原理氣體擴散層02氣體擴散層

氣體擴散層(GasDiffusionLayer，GDL），其作用是支撐催化層，穩定電極結構，并具有質/熱/電的傳遞功能，且必須能夠傳輸氣體。GDL必須具有良好的機械性能、合適的孔結構、良好的導電性和穩定性。

主要材料為碳紙。燃料電池結構與工作原理02燃料電池結構與工作原理膜電極組件（MEA）02膜電極組件（MEA）

MEA是集膜、催化層、擴散層于一體的組合件，是燃料電池的核心部件之一。膜位于中間，兩側分別為陰極、陽極的催化層和擴散層，通常采用熱壓方法黏結使其成為一個整體。燃料電池結構與工作原理Sandwich-likeStructure02雙極板雙極板（BipolarPlate，BP）是電堆的多功能部件，其主要作用是傳導電子、分配反應氣并帶走生成的水，也就是通過表面的流場給膜電極輸送反應氣體，同時收集和傳導電流（多個單體電池通過雙極板串聯）并排出反應的熱量及產物水。主要成分為石墨。燃料電池結構與工作原理022.6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。汽車用燃料電池堆由數百個單電池串聯而成燃料電池結構與工作原理02燃料電池結構與工作原理022.7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。甲醇燃料電池用甲醇取代了氫氣作為燃料燃料電池結構與工作原理02燃料電池結構與工作原理03

在交通運輸領域，燃料電池汽車可以有效緩解因燃油車油耗及碳排放較高帶來的環保壓力，同時續航里程長、快速加注、高功率密度、低溫自啟動等技術特點賦予其在長程、重載、商用領域和寒冷地區良好的應用場景，可有效補足純電動汽車短板，共同推動我國交通電動化進程。3.1發展燃料電池汽車的必要性燃料電池汽車概述03燃料電池汽車概述燃料電池汽車優勢燃料電池03 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。燃料電池汽車驅動原理圖3.2

燃料電池汽車的概念及結構燃料電池汽車概述03燃料電池汽車概述03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。燃料電池汽車概述氫氣罐03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。燃料電池汽車概述03

（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。燃料電池汽車概述03

（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。燃料電池汽車概述03

1）動力電池

大多數燃料汽車設計中用鋰離子電池或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。高壓電池組燃料電池汽車概述03

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燃料電池汽車概述03

（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。燃料電池汽車概述03儲氫罐對安全性及輕量化有較高要求。車載儲氫瓶由多層特殊材料組成氫燃料車的儲氫罐，不僅要重量輕、硬度高，還需通過特殊材料防止滲漏。燃料電池汽車概述（7）氫氣罐03

（8）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。燃料電池汽車概述02不同汽車的動力系統對比燃料電池結構與工作原理03燃料電池汽車運行原理燃料電池汽車概述03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。起步和加速時燃料電池汽車概述3.3

燃料電池汽車的能量流03

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。輕微加速和巡航時燃料電池汽車概述03

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。減速時燃料電池汽車概述03

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。停車時燃料電池汽車概述033.4燃料電池汽車的挑戰（1）成本高PEM價格昂貴。稀有金屬Pt的大量應用也制約著燃料電池汽車的推廣應用。整體燃料系統占整車成本近7成。燃料電池汽車概述03（2）起動時間長，系統抗振能力還需提高

采用燃料電池的汽車加速性能相比普通活塞式發動機還有很大差距。當燃料電池汽車，其受到振動或者沖擊時，各種管道的連接和密封的可靠性需要進一步提高，以防止泄漏，降低效率，嚴重時還會引發安全事故。（3