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1、新能源汽车概论,第四章 燃料电池汽车,二次电池,冷却装置,燃料电池,储氢装置,驱动装置,4.1 燃料电池 4.2 燃料电池系统 4.3 燃料电池汽车的类型及应用,本章主要内容,燃料电池概念：燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种化学电池，它直接把物质发生化学反应时释放出的能量变换为电能，工作时需要连续地向其供给燃料和氧化剂。它是把燃料通过化学反应释放出能量变为电能输出的，因此被称为燃料电池。,4.1 燃料电池,4.1.1 燃料电池的种类 根据电池电解液类型不同，可分为五类： （1）质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）,4.1
2、 燃料电池,其原理相当于水电解的“逆”装置。 阳极阴极的电化学反应为： 2H24H+4e- 4e-+4H+O22H2O 总电化学反应为：2H2+O22H2O,质子交换膜的工作原理,4.1 燃料电池,阳极和阴极发生的电化学反应为： H2+2OH-2H+2e- O2+4H+4e-2H2O 总电化学反应为： 2H2+O22H2O,碱性石棉膜型氢氧燃料电池的工作原理,（2）碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell,AFC）,该燃料电池以强碱（KOH、NaOH）为电解质，氢气为燃料，纯氧或脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂，采用Pt/C、Ag等为电催化剂制备的多孔气体扩散电极为氧电极，Pt-Pd/
3、C、Pt/C、Ni制备的多孔气体电极为氢电极。,4.1 燃料电池,阳极和阴极发生的电化学反应为： H22H2O+2e- O2+2H2O+4e-4OH- 总电化学反应为： 2H2+O22H2O,磷酸燃料电池的工作原理,（3）磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell， PAFC）,磷酸燃料电池是以磷酸为导电电解质的酸性燃料电池。磷酸燃料电池使用液化磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。当以氢气为燃料、氧气为氧化剂时，在电池内发生电化学反应。,4.1 燃料电池,阳极和阴极发生的电化学反应为： H2+CO32-H2O+CO2+2e- O2+2CO2+4e-2CO32- 总电化学反
4、应为：O2+2CO2+2H22CO2+2H2O,熔融碳酸盐燃料电池工作原理,（4）熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）,熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。单体的熔融碳酸盐燃料电池一般是平板型的，由电极-电解质、燃料流通道、氧化剂流通道和上下隔板组成。,4.1 燃料电池,（5）固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell， SOFC）,固体氧化物燃料电池的基本组成,固体电解质是固体氧化物燃料电池最核心的部件，它的主要功能在于传导氧离子，它的性能（如电导率、稳定性、热膨胀系
5、数、致密化温度等）不但直接影响电池的工作温度及转换系数，还决定了与之相匹配的电极材料及其制备技术。,4.1 燃料电池,阴极发生的电化学反应为：O2+4e-2O2- 阳极材料首选价格最低的NI/YSZ陶瓷合金。,固体氧化物燃料电池工作原理示意图,（5）固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell， SOFC）,4.1 燃料电池,4.1.2 燃料电池的特性,当由燃料电池提取电流时，因电极和电解液中存在欧姆电阻而产生电压降，它正比于电流密度，即 式中， Re为按面积所得的等值欧姆电阻；i 为电流密度。,在燃料电池中，由于需要附加能量去克服活性势垒，故部分产生的能量损失存在于促成物质
6、反应的过程之中。这些损耗称为活性损耗，并由活性电压降Va予以表达。Tafel 关系式是应用于这一特性的最一般的数学描述，由此可得活性电压降为 也可写为 式中， 其中 i0 为平衡态条件下的交变电流； b 为取决于过程的常数。,4.1 燃料电池,4.1.2 燃料电池的特性,当电流流通时，离子在邻近负极处放电，因此，在该区域中，离子浓度趋于减小。因离子缺少所导致的电压降称为浓度电压降，因为它与紧邻电极处的电解液浓度的降低相关联。对应于较低的电流密度，浓度电压降通常较小。 在电极处离子被迁移（燃料电池中的阴极）条件下，由离子浓度所引起的电压降可表达为 而在电极处离子被生成（燃料电池中的阳极）条件下，
7、则为 式中， iL为极限的电流密度。,4.1 燃料电池,4.1.2 燃料电池的特性,因离子浓度所导致的电压降不仅限于电解液，当反应物或生成物是气态物时，在反应区中，局部压力的变化也表征了离子浓度的变化。例如，在氢氧燃料电池中，氧可以从空气中引入，当反应发生时，氧被迁移接近电极微孔中的电极表面，而在那里与在整体空气情况中相比，氧的局部压力必然下降。由局部压力变化所必然导致的电压降为 式中，Ps 为表面处的局部压力； Po为所用多孔材料中的局部压力。,4.1 燃料电池,4.1.2 燃料电池的特性,如图为氢氧燃料电池在温度为 T=80条件下，其单元电压与电流密度的关系曲线。由图可见，由化学反应（包含
8、活性和浓度变化）引起的压降是产生电压降的原因。,氢氧燃料电池的单元电压与电流密度的关系曲线,燃料电池中的能量损耗可通过电压降予以表达，因此，燃料电池的效率可表示为 式中，V0r为在标准条件下单元电池的可逆电压。,4.1 燃料电池,4.1.2 燃料电池的特性,氢氧燃料电池的效率-电流密度曲线如图所示，随着电流增加，效率下降而功率增加。因此，在低电流下运用燃料电池，即在低功率下可获得高运行效率。,氢氧燃料电池中的运行效率随着电流密度的变化,4.1 燃料电池,4.1.2 燃料电池的特性,氢-空气燃料电池系统,辅助设备主要包括空气循环泵、冷却水循环泵、排气扇、燃料供应泵和电控设备。在辅助设备中，空气循
9、环泵的能量消耗最大，其消耗功率（含驱动电机）约占燃料电池堆总输出功率的10%，其他较小,4.1 燃料电池,4.1.2 燃料电池的特性,该图表明了该燃料电池系统的最佳运行区域在其电流范围的中间区域，估计在最大电流的 7%50%范围内。大电流将导致低效率，是因为在燃料电池堆中产生了较大的电压降；另一方面，很小的电流导致低效率，则是因为辅助设备所消耗能量的百分比的增大。,氢-空气燃料电池的单元电压、系统效率和净功率密度随净电流密度变化的曲线,4.2 燃料电池系统,4.2.1. 燃料电池堆,单体电池壳体及膜电极集合体,膜电极集合体,（1）膜电极组件,阴极扩散层,阴极催化剂层,质子交换膜,阳极催化剂层,
10、阳极扩散层,4.2 燃料电池系统,4.2.1. 燃料电池堆,（2）电极催化剂,电催化剂的功能是加速电极与电解质界面上的电化学反应或降低反应的活化能，使反应更容易进行。在质子交换膜燃料电池中，催化剂的主要功能是促进氢气的氧化和氧气的还原。催化剂必须具备以下几个条件：,高电催化活性,催化剂要对氢气氧化反应和氧气还原反应都具有较高的催化活性，而且还要对反应过程中存在的副反应具有较好的抑制作用,高电催化稳定性,催化剂的稳定性取决于其化学稳定性和抗中毒能力。化学稳定性好是指催化剂在电解质溶液中不腐蚀。,大的比表面积,有适当的载体,有好的导电性,因为氢或氧在催化剂上反应后的电子要通过催化剂传导，因此，催化
11、剂必须具有较高的电导率。,用适当的载体就能够达到这样的效果。常用的载体有活性炭、炭黑等，它们的比表面积大、导电性好。,电催化活性一般与催化剂的比表面积有关。一般来说，比表面积大，电催化活性也高。,4.2 燃料电池系统,4.2.1. 燃料电池堆,（3）质子交换膜,它是一种绝缘体，作为隔膜，把阴、阳两极分开，防止电池短路，也防止氢气与氧气直接接触。,它是一种质子导体，它能把氢在阳极氧化生成的H+输送至阴极，提供阴极反应所需要的H+，并使电池形成电回路。,质子交换膜功能,质子交换膜最主要的性能是要有好的质子导电性。,Nafion膜的性能,Nafion膜有很好的质子导电性，一个H+的迁移一般要伴随0.
12、6个水分子的迁移。这种膜在缺水的情况下，H+的传导性将显著下降，所以保持膜的适度湿润性非常重要。,干的 Nafion 膜有很好的机械强度，但当其含水量增加时，机械强度会降低，因此必须控制质子交换膜燃料电池的水含量。,Nafion 膜的另一个优点是有好的化学稳定性。,Nafion膜存在的问题,1.价格昂贵,2.膜内水量难控制,3.膜湿度要求较高,4.操作温度,5.在0一下膜内结构被破坏,4.2 燃料电池系统,4.2.1 燃料电池堆,（3）质子交换膜,4.2 燃料电池系统,4.2.1. 燃料电池堆,（4）双极板和流场,双极板的功能,分隔反应气体并通过流场将反应气体导入燃料电池，收集并传导电流和支撑
13、膜电极,同时还承担整个燃料电池系统的散热和排水功能,双极板又称集流板、隔板，是电池的核心部件之一。质子交换膜燃料电池的气室主要是由双极板构成的。每个双极板的两面形成两个气室：一面是氢气室；另一面是氧气室。双极板的中间是冷却管道。,4.2 燃料电池系统,4.2.1. 燃料电池堆,（4）双极板和流场,4.2 燃料电池系统,4.2.1. 燃料电池堆,（4）双极板和流场,流场功能： 引导反应气体的流动方向，确保反应气体均匀分配到电极各处。 合理流场结构可以使电极各处都能获得充足的反应物。 及时把电池生成的水排出，保证电池具有较好的性能和稳定性。,双极板结构示意图,4.2 燃料电池系统,4.2.1. 燃
14、料电池堆,（4）双极板和流场,流场种类：点状流场、网状流场、多通道流场、蛇形流场、交错型流场、交指流场、螺旋流场、平行流场、平行蛇形流场和平行沟槽流场等。,蛇形流场,平行流场,平行蛇形流场,4.2 燃料电池系统,4.2.2. 氢供给系统,在通常状况下，氢是无色、无味、无嗅的气体，极难溶解于水。与其他气体能量载体不同的是，氢气难以液化，导致大规模的储氢非常困难，这已经成为氢能利用走向规模化的瓶颈。为了更大规模、更安全地储氢，人们进行了如下多种氢气存储方法的研究。,压缩气体形式储氢,通过压缩方式储存氢，对环境污染很小，使用比较安全。,液态储氢,在 22K 左右的温度下以液态形式储存氢，是目前唯一使
15、用最广泛的大规模储氢方式。,可逆金属氢化物储氢,碳纳米纤维储氢,各国学者对碳纳米材料的储氢研究刚刚开始，研究成果也各不相同。但，纳米纤维储氢已经显示出了显著的优越性，有望成为未来储氢的有效方法。,金属氢化物在较低的压力下具有较高的储氢能力。金属氢化物储氢虽然具有较高的容积效率且使用安全，但质量效率较低。,4.2 燃料电池系统,4.2.2. 氢供给系统,用氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池系统设备相对简单，起动快、性能稳定，对负荷变化的响应快，相对成本较低。因此采用质子交换膜燃料电池的燃料电池汽车受到了高度的重视。,典型的车载供氢系统模型,4.2 燃料电池系统,4.2.2. 氢供给系统,过滤器的作
16、用是给储氢罐提供高纯度氢气，具有单向截止的功能。高压气体通过减压后向燃料电池发动机提供稳定的氢气供应。流量电磁控制阀门开度大小的控制信号由过流保护装置发出。,储氢罐口过流保护装置的设计构想,4.2 燃料电池系统,4.2.3. 热管理系统,热管理的必要性：为了保持电池的恒温运行，并避免电池堆在高电流密度工作时造成局部过热，必须要进行热管理。,热管理对电池温度的控制,温度较低时，电池存在较为明显的活化极化，而且质子交换膜的阻抗也较大。,另一方面，如温度较高，使水蒸发速度加快，会使反应气体带走过量的水而使质子交换膜脱水，使膜的性能变差，引起电池性能下降。,冷却装置：将电池运行时产生的热量及时排出，使质子交换膜燃料电池在恒温下工作，以保持稳定的性能。,冷却方式,冷却水循环方式，这种方式比较方便，但要消耗较多的动力。,利用液体的蒸发来控制温度，被称为利
