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1、上海工程技术大学毕业设计（论文） 燃料电池汽车技术的发展与应 用1摘摘 要要随着全球新一轮的能源危机，燃料电池的商业化已被提到了前所未有的高度，而作为石油消耗量最大的汽车，也必须加紧新的燃料电池汽车的研发和商业化。燃料电池汽车是电动汽车的一种，其电池的能量是通过氢气和氧气的化学作用，而不是经过燃烧，直接变成电能的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高23 倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。世界著名汽车制造厂，如戴姆勒克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司
2、早在 2004 年以前就计划将燃料电池汽车投向市场。目前，燃料电池轿车的样车正在进行各项试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正作为示范项目在运行。在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化 、提高商业化电动汽车燃料处理器 等。目前一些以燃料电池为动力的 汽车制造厂，都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力，并已取得了显著的进步 。关键词关键词：燃料电池、电动汽车、环境保护上海工程技术大学毕业设计（论文） 燃料电池汽车技术的发展与应 用2燃料电池汽车技术的发展与应用燃料电池汽车技术的发展与应用王人杰王人杰 Y066001081 绪论绪论1.11.1 引言引言随
3、着汽车工业的迅速发展，推动了全球机械、能源等工业的进步以及经济、交通等方面的发展。但是，汽车在造福于人类的同时，也带来了很大的弊端。内燃机汽车造成的污染日益严重，尾气、噪声和热岛效应对环境造成的破坏已经到了必须加控制和治理的程度；特别在一些人口稠密、交通拥挤的大中城市情况更为严重。例如在我国上海市，1995年市中心城区内机动车的C0、HC、No 排污负荷分别占该区域内相应的排放总量的76、93和44 ；如不采取措施预计到2010年机动车排污负荷将进一步上升到94、98和75。而且，内燃机汽车是以燃烧油料、天然气等宝贵的资源为动力而这些资源同时又是重要的、不可再生的化工原料作为燃料直接烧掉是极大
4、的浪费。按照目前的消耗速度，石油、天然气等资源仅仅能再维持数十年的时间。显然，内燃机汽车造成的环境污染以及对资源的消耗，极大地威胁着人类的健康与生存。随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨，新一代电动车作为无污染、能源可多样化配置的新型交通工具，引起了人们的普遍关注并得到了极大的发展。电动车以电力驱动，行驶时无排放(或低排放)噪声低，能量转化效率比内燃机汽车高得多。同时电动汽车还具有结构简单(可以直接利用电子技术实现传动、显示和控制)、运行费用低等优点安全性也优于内燃机汽车。上海工程技术大学毕业设计（论文） 燃料电池汽车技术的发展与应 用3电动车的发明可以追溯到1834年，距今已有一百多年历史。
5、在其开发应用过程中曾经于19世纪末在欧美等地区达到一个高潮但后来由于内燃机汽车有了突破性进展，而电动车始终没有解决电池的比容量、功率及寿命等方面的问题因此电动车的性能远不及内燃机汽车，最后让内燃机汽车垄断市场。进入本世纪80年代后节能与环保问题成为世界各国所关注的主要社会问题电动车项目已经成为许多国家和各十大汽车公司的重要发展项目，电动车的研究进入了一个新的发展时期。新一代电动车是一种综合性的高科技产品其关键技术包括高度可靠的动力驱动系统、电子技术、新型轻质材料、电池技术、整车优化设计与匹配的系统集成技术等，由于受到每一种单元技术的制约以及人们对这种新生事物的重视程度不够的影响尽管研制电动车的
6、意义重大，项目开展也经历了数十年，但现在世界上真正能上路行车的电动车还是寥寥无几。目前，电动车存在的主要问题在于价格、续驶里程、动力性能等方面，而这些问题都是与电源技术密切相关的。如燃油汽车一次加油行驶距离可达500 km左右，而电动汽车一次充电行驶距离一般不会超过200 km。因此，电动车实用化的难点仍然在于电源技术特别是电池(化学电源)技术。电动车用动力蓄电池与一般启动用蓄电池不同，它是较长时间的中等电流持续放电为主间断大电流放电(用于启动、加速或爬坡)。电动车对电池的基本要求可以归纳为下几点：(1) 高能量密度(高质量比能量、高体积比能量)；(2) 高功率密度(高质量比功率、高体积比功率
7、)；(3) 较长的循环寿命(充放电循环次数、工作年数多)；(4) 较好的充放电性能(快速充放电性能和抗过充、过放能力好)；(5) 较好电池一致性；(6) 价格较低；上海工程技术大学毕业设计（论文） 燃料电池汽车技术的发展与应 用4(7) 使用维护方便；其它性能较好，如安全性能(发生交通事故时的安全性)较好无环境污染问题(电池生产、使用、报废回收的过程中不能对环境产生不良影响)等等。因此根据前言提到的电动车对电池的几点基本要求可以看出，技术成熟的铅酸电池、金属氢化物镍电池、镉镍电池或锂离子电池等已明显不能适应新一代电动车的要求。究其原因，可以看出虽然其续驶里程已基本能满足市区交通的要求，技术已经
8、逐渐成熟并开始商品化但尚不能得到大规模地应用。主要的制约因素在于电池本身。首先，有限的贮能不能满足长距离行驶的需要；其次，电池充电时间较长；再次，社会缺乏配套的充电基础设备使用不便；还有由于生产、销售量不大，甚至还可能造成二次污染。所以不能形成规模效应，使得电动汽车造价较高。虽然各家汽车制造厂商，用了各种补救措施，如混合动力车等，混合动力车虽然续驶里程长但仍不能做到零排放。因此一些汽车制造厂商致力于第三类电动车 燃料电池电动车的开发研制。燃料电池和普通的化学电源有很大不同，它实际是一个电化学反应器：燃料不断输入，电能不断输出其副产物一般是无害的水或再加上二氧化碳。它没有运动的机械部件，工作时很
9、安静；它没有原理上的热机效率的理论限制，实际效率可达 50-70远高于内燃机固此被公认为 21 世纪的理想的新型能源 。1.21.2 发展历史发展历史燃料电池（ ）起源于年发现燃料电池原理，至于真正的实用化，则要追溯到上世纪六十年代，当吋时实际应用在航天及太空上。并于上世纪八十年代起在环保、节能等全球议题下，美国、日本、加拿大、韩国及西上海工程技术大学毕业设计（论文） 燃料电池汽车技术的发展与应 用5欧各国等多达数百家公司及研究机构积极投入，开始进入民用市场的研究开发，到了上世纪末几乎每个月都有新专利产生，而目前已几乎可以说没有不可克服的技术障碍，至于在商业上，目前的主要应用课题之一是成本过高
10、，预期未来在关键材料与组件技术不断改进及量产技术成熟后，成本将迅速下降而达到商业化之目的。1.31.3 特点特点燃料电池的特点为高效率、低噪音、低污染等，其将燃料中的化学能“直接”转换成电能的作功原理，不同于一般的发电机将化学能（或辐射能）转换成热能之后，再转换成动能推动发电机产生电力等需要经过多重的能量转换，因此转换效率上限不受“卡诺循环（ ） ”的限制，所以可以很高。燃料电池若依操作温度区分，可大分类为低温燃料电池（160220） 、中温燃料电池（200750）及高温燃料电池（7501000）三大种类。一般而言，燃料电池的操作温度不同，其所使用的燃料、触媒及氧化剂也不同。2 2 燃料电池的
11、工作原理燃料电池的工作原理2.12.1 燃料电池的工作原理燃料电池的工作原理上海工程技术大学毕业设计（论文） 燃料电池汽车技术的发展与应 用6图 2.1 燃料电池的工作原理燃料电池的基本原理如图 2.1 所示，它的基本原件是二个电极夹着一层高分子薄膜作为电解质。阴阳两极，除碳粉外也包含白金粉末，便于加快催化氧化反映。具体的过程如下：2.1.12.1.1 阳极阳极氢分子气体输入被制成多孔结构的阳极板，经过质传到达阴极后，在催化下分解反应：H22H+2e-电子由阳极导向外接电路，形成电流。而氢离子也由阳极端，透过可导离子性质（电子絕緣体）的高分子薄膜电解质，抵达阴极。2.1.22.1.2 阴极阴极
12、空气输入阴极，氧气分子质传到阴极，与电子及氢离子起电化学反应，而产生水及 1.229 伏特的电压。反应如下：O2+4H+4e-2H2O2.22.2 燃料电池的基本组成燃料电池的基本组成燃料电池的主要构成组件为：电极（） 、电解质隔膜（ ）与集电器（ o）等。2.2.12.2.1 电极电极燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与还原剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。电极主要可分为两部分，其一为阳极（） ，另一为阴极（） ，厚度一般为；其结构与一般电上海工程技术大学毕业设计（论文） 燃料电池汽车技术的发展与应 用7池之平板电极不同之处，在于燃料电池
13、的电极为多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等） ，而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也是燃料电池当初所以能从理论研究阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。目前高温燃料电池之电极主要是以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池（简称）的（简称）及熔融碳酸盐燃料电池（简称）的氧化镍电极等，而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑一薄层触媒材料而构成，例如磷酸燃料电池（简称）与质子交换膜燃料电池（简称）的白金电极等。2.2.22.2.2 电解
14、质隔膜电解质隔膜电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十毫米至数百毫米；至于材质，目前主要朝两个发展方向，其一是先以石棉（）膜、碳化硅膜、铝酸锂（）膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内，另一则是采用全氟磺酸树脂（例如）及（例如） 。2.2.32.2.3 集电器集电器集电器又称作双极板（ ） ，具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。上海工程技术大学毕业设计（论文） 燃料电池汽车技术的发
15、展与应 用82.32.3 燃料电池的分类燃料电池的分类燃料电池主要分为以下几种：2.3.12.3.1 质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池(Proton(Proton ExchangeExchange MembraneMembrane FuelFuel CellsCellsPEMFC)PEMFC)该电池的电解质为离子交换膜，薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂（如白金） ，其两侧分别供应氢气及氧气。由于 PEM 燃料电池的唯一液体是水，因此腐蚀问题很小，且操作温度介于 80100之间，安全上的顾虑较低；其缺点是，作为催化剂的白金价格昂贵。PEMFC 是轻型汽车和家庭应用的理想电力能源，它可以替代充电电池。2.3.22.3.2 碱性燃料电池碱性燃料电池(AlkalineFuelCells(AlkalineFuelCellsAFC)AFC)碱性燃料电池的设计与质子交换膜燃料电池的设计基本相似，但其电解质为稳定的氢氧化钾基质。操作时所需温度并不高，转换效率好，可使用的催化剂种类多且价格便宜，例如银、镍等。但是，在最近各国燃料电池开发中，却无法成为主要开发对象，其原因在于电解质必须是液态，燃料也必须是高纯
