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1、 学习情境四燃料电池汽车 什么是燃料电池汽车 燃料电池汽车有哪些优缺点 燃料电池的基本原理是什么 燃料电池的类型有哪些 燃料电池是如何工作的 4 1燃料电池汽车基础知识 一 燃料电池汽车的定义 燃料电池汽车是指以氢气 甲醇等为燃料 通过化学反应产生电流 依靠电机驱动的汽车 其核心部件是燃料电池 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 燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种 在车身 动力传动系统 控制系统等方面 燃料电池电动汽车
2、与普通电动汽车基本相同 主要区别在于动力电池的工作原理不同 燃料电池与普通电池的区别 燃料电池需要一套燃料储存装置和附属设备 在工作过程中 质量逐渐减轻 普通蓄电池没有其他辅助设备 蓄电池的质量和体积基本不变 燃料电池在产生电能时 氢不断地消耗不再重复使用 普通蓄电池的活性物质反复进行可逆性化学变化 活性物质并不消耗 二 燃料电池汽车的优缺点及要求 1 优点与传统汽车相比 燃料电池汽车具有以下优点 1 燃料电池的能量转换效率极高 2 零排放或近似零排放 3 车辆性能接近内燃机汽车 4 结构简单 运行平稳 燃料电池与内燃机效率对比 2 缺点1 生产成本高目前 不论是液态氢 气态氢 储氢金属储存的
3、氢 还有碳水化合物经过重整后转换的氢是燃料电池的唯一燃料 氢气的产生 储存 保管 运输和灌装或重整 都比较复杂 对安全性要求很高 燃料电池的燃料的生产 运输 储存等成本较高 2 使用配套不足由于氢燃料的生产 储存 运输等都存在一定的安全隐患 因此加氢站等基础网络设施建设相对落后 这制约着燃料电池汽车的推广 3 需要配备辅助电池系统燃料电池可以持续发电 但不能充电和回收再生制动的反馈能量 通常在燃料电池汽车上须增加辅助电池 来储存燃料电池富裕的电能和在燃料电池汽车减速时接受再生制动时的能量 3 燃料电池汽车对燃料电池的要求 由单元电池组成的燃料电池组的比能量不低于150 200W h kg 比功
4、率不低300W kg 达到或超过USABC提出的电池性能指标水平 各种辅助装备的外形尺寸和质量应尽可能地减少 符合燃料电池汽车的要求 燃料充添方便迅速 燃料电池能够打开进行电极 电解质和催化剂的修理和更换 可以在常温条件下工作 不会发生燃料气体和电解液的泄漏或结冰 有可靠的安全性能 可以在负荷变化情况下正常运转 各种结构件有足够的强度和可靠性 能够耐受燃料电池汽车行驶时的振动和冲击 4 发展方向燃料电池汽车技术攻关的焦点集中在把提高可靠性 耐久性 但近中期内将不会有重大突破 目前用甲醇 汽油等通过重整快速转化为氢 是一种成熟的技术 使得氢气的生产成本降低 而更具有竞争力 在燃料电池的催化剂 质
5、子交换膜 燃料电池组 电极的密封性 可靠性和燃料电池组的管理系统等方面也开展了全方位的技术攻关 新兴的专业工厂也正在兴起 形成新能源的技术产业 当前世界汽车公司的奋斗目标是使燃料电池的价格大幅度地降低 以实现新型燃料电池电动汽车的商品化 三 燃料电池汽车的分类 1 按氢气供给方式分 2 按燃料电池使用的电解液不同分 3 按照驱动型式分类 纯燃料电池驱动混合驱动目前的燃料电池汽车主要采用的是混合驱动型式 即在燃料电池的基础上 增加了一组蓄电池或超级电容作为另一个动力源 根据混合式燃料电池汽车中燃料电池和蓄电池的关系 又可进一步把燃料电池汽车的动力系统归纳为并联式和串联式两种 4 根据燃料氢的储存
6、方式分类 压缩氢燃料电池汽车液氢燃料电池汽车合金 碳纳米管 吸附氢燃料电池汽车 5 按照能量来源分类 车载纯氢燃料重整可用于车载制氢的燃料可以是醇类 甲醇 乙醇 二甲醚等 烃类 汽油 柴油 甲烷 液化石油气等 还有其他类型的物质也可以作为制氢原料 如金属或金属氢化物等 重整燃料电池汽车的燃料主要有汽油 天然气 甲烷 甲醇 液化石油气等 目前在大多数的FCEV上 特别是在燃料电池电动轿车上 仍然是以压缩氢气或液化氢气作为燃料 四 燃料电池的基本原理 燃料电池的组成及其反应特征 1 燃料电池的基本组成燃料电池由阳极 阴极和离子导电的电解质构成 其工作原理与普通电化学电池类似 燃料在阳极氧化 氧化剂
7、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 燃料电池的基本组成有 电极 电解质 燃料和催化剂 二个电极被一个位于它们之间的 携带有充电电荷的固态或液态电解质分开 在电极上 催化剂 常用来加速电化学反应 2 燃料电池基本工作原理 3 燃料电池的发电原理 1 燃料电池的电动势及工作电压燃料电池的电动势燃料电池内部阳极和阴极的电化学反应 使正极电位和负极电位发生改变 正 负电极之间产生电位差 电动势E 即无论是哪种电解质 氢氧燃料电池的电动势都为1 229V 如果反应产物水为气态 则电动势为1 18V 燃料电池的工作电压工作时 燃料电池通过外电路形成放电电流 这时燃料电池正 负极之间
8、的电位差 工作电压 为 燃料电池的放电特性 五 燃料电池的类型 根据不同分类形式 燃料电池可分为多种 1按电解质类型分类常分为 碱性燃料电池 AlkalineFuelCell AFC 磷酸燃料电池 PhosphoricAcidFuelCell PAFC 熔融碳酸盐燃料电池 MoltenCarbonateFuelCell MCFC 固体氧化物燃料电池 SolidOxideFuelCell SOFC 质子交换膜燃料电池 ProtonExchangeMembrane PEMFC 以及甲醇燃料电池等 2按燃料电池发展分类把磷酸燃料电池称为第一代燃料电池 把熔融碳酸盐燃料电池称为第二代燃料电池 把固体氧
9、化物燃料电池称为第三代燃料电池 这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料 3按燃料电池工作温度分类把碱性燃料电池 固体高分子型质子膜燃料电池和磷酸型燃料电池称为低温燃料电池 把熔融碳酸盐型燃料电池和固体氧化型燃料电池称为高温燃料电池 并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池 不同燃料电池的基本情况 在燃料电池汽车上的应用举例 在2008年底特律车展上 克莱斯勒汽车公司发布了EcoVoyager燃料电池汽车 该车也采用了电 电混合燃料电池技术 该车使用45kW质子交换膜燃料电池 PEMFC 同时装备了16kWh的锂电池 氢气存储方式为高压氢气 压力为700bar 10 00
10、0psi 具备制动能量回馈功能 0 100km h加速时间8 8s 最高时速184km h 总续驶里程480km 纯动力电池驱动模式 仅使用二次电池 下可行驶64km 3 质子交换膜燃料电池的结构与原理质子交换膜燃料电池 PEMFC 是指以质子交换膜作为电解质的电池 又称固体高分子电解质燃料电池质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为 电催化剂 电极 阴极与阳极 质子交换膜 双极板 基本构成为 电池本体 辅助系统 包括燃料及氧化剂的循环回路 湿度 温度及压力的监控 产物水的输出及热交换装置等 和燃料及氧化剂的储存 或制造 系统 在实际应用中 还有电池的安全系统和功率调节系统 1 PEMFC的工作原
11、理 外部供给的燃料 氢气 在阳极 燃料极 由于催化剂的作用发生氧化反应变成了质子 H 和电子 质子和数个水分子一起穿过电解质 质子交换膜 到达阴极 空气极 另一方面 电子穿过有电子导电性的电极 经过外部的负载电路 电动机等 向阴极 空气极 的方向移动 从外部电路转移而来的电子和从电解质中转移而来的质子 利用外部空气中提供的氧气 在阴极发生还原反应生成水 内燃机是受卡诺循环支配的 所以一般情况下 工作温度越高 效率就越高 燃料电池中 由于直接把化学能转换为电能 所以效率是很高的 而且 它的效率变化受到负载变化的影响也很小 2 PEMFC的结构 组成 膜电极组件 电极 阴极 阳极 与膜 质子交换膜
12、 压合到一起的整体双极板 双极板 集流板 流道 气体扩散层 催化层 电解质是固体聚合物质子交换膜 质子交换膜 质子交换膜是一种厚度仅为50 180 m的膜片 是电极活性物质 催化剂 的基底 作用 兼有隔膜和电解质的作用 隔膜作用就是阻止阴阳极之间气体相通以及电子透过 防止氢氧混合生爆炸 电解质的作用是仅使质子通过 这样电子就被迫通过外电路流动向外输出电能 目前常用的质子交换膜为全氟磺酸型固体聚合物 质子可以自由地通过电解质在膜中迁移 但是质子的移动受质子交换膜润湿条件的制约 膜润湿越好 质子传递阻力越小 也就越容易通过 如果质子交换膜干涸 质子传递则受阻 燃料电池性能就下降 催化剂 气体扩散电
13、极上都含有一定量的催化剂 加快电化学反应的速度 即质子交换膜燃料电池的阳极反应为氢的氧化反应 阴极为氧的还原反应 分类 阴极催化剂 要求是足够的催化活性和稳定性阳极催化剂 还应具有抗CO中毒的能力材料 贵金属Pt作为电催化剂 催化剂研究的重点主要在两个方面 一是尽量提高Pt的利用率 减少单位面积的使用量 二是寻找新的价格较低的非贵金属催化剂 双极板 定义 把若干个单体电池叠起来组成电池组 主要作用 导电 提高电压 导流燃料和氧气以及导流冷却水 双极板面向电极的表面刻有用于燃料和氧气 空气 流动的沟槽 双极板中间的沟槽是冷却水的通道 用来带走反应生成的富余热量 双极板的设计主要考虑 导电性能 密
14、封 气体分布和水 热的排除等 目前制作双极板的材料 主要有石墨 表面改性的金属 炭黑 聚合物合成材料等 其制造工艺已经比较成熟 碳或碳的合成材料成本低 然而 即使采用无孔碳板作为极板的原材料 双极板的加工成本依然较高 3 PEMFC电堆 定义 将单体电池以叠加的结构形式串联连接组成电池组 得到100 300V的电压之后再使用 称之为PEMFC电堆 4 PEMFC的水 热管理 电堆运行时 质子交换膜需要保持一定的湿度 反应生成的水需要排除 质子交换膜燃料电池的运行温度一般在80 左右 此时其运行效能最好 反应气体进入电堆前需要预加热 加湿 电堆发电时产生的热量将使电堆温度升高 必须采取适当的冷却
15、措施 以保持质子交换膜燃料电池电堆工作温度稳定 通常用热交换器与纯水增湿装置进行调节 并用计算机进行协调控制 2碱性燃料电池碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池 其结构基本与质子交换膜燃料电池相似 但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质 碱性燃料电池结构图 碱性燃料电池的工作温度大约 因此起动也很快 但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍 在汽车中使用显得笨拙 不过 它们是燃料电池中生产成本最低的 因此可用于小型的固定发电装置 3磷酸燃料电池 磷酸燃料电池采用的是100 磷酸电解质 其常温下是固体 相变温度是42 氢气燃料被加入到阳极 在催化剂作用下被氧化成为质子 氢质子和水
16、结合成水合质子 同时释放出两个自由电子 电子向阴极运动 而水合质子通过磷酸电解质向阴极移动 如下图所示 因此 在阴极上 电子 水合质子和氧气在催化剂的作用下生成水分子 磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低 约为 其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长 优点是构造简单 稳定 电解质挥发度低等 磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力 4熔融碳酸盐燃料电池 熔融碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大 这种电池使用 溶化的锂钾碳酸盐 或者 溶化的锂钠碳酸盐 作为电解质 当温度加热到650 时 这种盐就会溶化 产生碳酸根离子 从阴极流向阳极 与氢结合生成水 二氧化碳和电子 电子然后通过外部回路返回到阴极 在这过程中发电 这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的碳氢化合物 在燃料电池结构内生成氢 且白金催化剂可用廉价的一类镍金属代替 其产生的多余热量还可被联合热电厂利用 这种燃料电池的效率最高可达60 5固态氧化物燃料电池 固态氧化物燃料电池工作温度比溶化的碳酸盐燃料电池的温度还要高 其工作温度位于之间 在这种燃料电池中 当氧阳离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体 主要是氢和一氧化碳的混合物 时便产
