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1、清华大学汽车安全与节能国家重点实验室清华大学汽车安全与节能国家重点实验室电动车辆研究室电动车辆研究室朱家琏编朱家琏编2003年3月24日1在能源领域在能源领域，人，人类正在为实现核聚类正在为实现核聚变和氢经济而努力！变和氢经济而努力！220032003年年2 2月月6 6日日布什说布什说 “美国将与英国、美国将与英国、若干欧洲国家以及加拿大、日本、俄若干欧洲国家以及加拿大、日本、俄国和中国一起，建立一个核聚变试验国和中国一起，建立一个核聚变试验设施，在世界上进行最大、最先进的设施，在世界上进行最大、最先进的核聚变试验核聚变试验“。又说：。又说：“我相信我我相信我们会使世界产生一个氢市场，我们将
2、们会使世界产生一个氢市场，我们将通过核聚变来产生电和氢通过核聚变来产生电和氢”。31. 单元燃料电池基本结构单元燃料电池由三种基本元件：一个质子交换膜（两侧载有催化剂铂）两个电极（兼气体扩散层）、两个流场板（双极板）组成。 这种燃料电池叫质子交换膜燃料电池4在燃料电池里，阳极和阴极被电解质膜隔开，电解质膜内载有固态酸电解质，电解质内具有自由氢离子H，（见图1 ）。在PEM燃料电池里，该固态酸电解质被水饱和，其中含有游离H，因此能完成氢离子从阳极转移至阴极的任务，但电子是不能穿越电解质膜的。氢离子H也叫质子，因而有聚合物质子交换膜（PEM）这个名称。从前图可以看到，氢燃料流入靠阳极侧的双极板流道
3、内，氧则流入靠阴极侧的流场板（双极板）流道内。下面，我们来说明氢和氧反应如何产生电流？电子从那里来？在阳极，氢分子首先会与电极表面的催化剂铂接触，氢分子被分裂并键合在铂表面，形成弱的HPt键。氢分子分裂后，氧化反应就发生，每一个氢原子释放其电子，此电子沿外电路运动，到达阴极（这种电子的流动，既所谓的电流）。而剩下的氢质子黏附在膜表面的水分子上，形成水合氢离子hydronium ion（H3O）。这些水合氢离子离开铂催化剂，穿越膜材料到达阴极，铂催化剂又获得自由，可以接待下一拨氢分子。在阴极，进入燃料电池的氧分子也是首先与电极表面的催化剂铂接触，氧分子分被分裂并键合在铂表面，形成弱的OPt键，使
4、得还原反应能够发生。然后每一个氧原子离开铂催化剂，与来自外电路的两个电子和从膜穿过来的两个质子化合成一个水分子。至此氧化还原反应就被完成。阴极上的催化剂再一次获得自由，等待下一拨氧分子的到来。 氢和氧在燃料电池里，同时发生两个“半反应”，一个是在阳极发生的氧化反应（失去电子），另一个是在阴极发生的还原反应（得到电子），这两个反应构成了一个总的氧化还原反应（氧化还原作用），反应生成物为水。 5阳极反应：2H2 4H+ 4e阴极反应：O2+ 4e+ 4H 2H2O总反应： 2H2 + O2 2H2O氢离子H可以穿过质子交换膜，电子不能穿过质子交换膜，电子只能经外部电路从阳极到阴极 6由于单元燃料电
5、池产生的电压很低，必须将它们串联连接，构成“燃料电池堆”，才能得到所需工作电压72 .聚合物电解膜电解膜使用的材料NafionNafion是由疏水材料聚四氟乙烯链（商品名Teflon）形成膜的骨架，及附在Teflon端部，具有磺酸（HSo3）基团的侧链组成，环绕在磺酸侧链周围的含水区成为电解质83 .膜电极总成膜电极总成通常由电极（又叫气体扩散层）、催化剂层、电解膜层等组成铂微粒固定在相对较大的炭粉粒子上,催化剂一般为铂，目前，用量为0.2mg/cm2,94 .双极板实现燃料电池内部连接的一个方法，是采用双极板，同一块双极板的两个侧面，分别与相邻燃料电池的阴极和阳极接触，同时双极板还起到把氢送
6、到阳极，和把氧或空气送到阴极的作用105. 质子交换膜燃料电池的水管理问题质子交换膜中的电解质必须含有足够的水，才能保证有良好的离子传导性，但水也不能太多，否则它会涌入并堵塞电极或气体扩散层中的孔通道燃料电池里的水来自：一是氢氧反应产生的水，另一是对反应气体加湿将水带进来，下图为几种加湿方法116. 加压燃料电池系统传统燃料电池系统通过提高压力的方法来增加它的功率密度，此时系统中要有一个压缩机空气中氮含量约占80%，在对空气进行压缩时，大部分压缩功率，被用来压缩不起作用的氮上，氧利用率（OUR）取得越大，压缩机消耗功率越大，燃料电池输出的净功率减小，效率降低12用于氢再循环的射流泵结构13加压
7、燃料电池系统里，一个十分关键的部件是“压缩膨胀机”。可以选用的压缩机类型很多，有双螺杆式、罗茨转子式、叶片式等。膨胀器用来回收排出空气中的能量。图为压缩膨胀器一例。14加压燃料电池的电压电流曲线157.环境压力燃料电池这种燃料电池对阴极供应略高于大气压的大流量空气，采用特殊的燃料电池供水方法，和独特的蒸发散热方法，具有系统简单、成本低、工作安静、燃料效率高、尺寸紧凑，安装空间小，容易装入车辆等优点16环境压力燃料电池的基本结构* 阳极直接加水，电解膜充分含水* 对阴极供应大流量干空气流* 用空气流直接蒸发阴极侧的水来冷却燃料电池* 系统效率高17环境压力燃料电池电压电流曲线18两种燃料电池系统的比较198. 燃料电池发动机燃料电池发动机，是指包括：燃料电池系统、行走电机、电机控制器和传统内燃发动机所带的附件等合在一起的系统或装置20燃料电池发动机内部各元部件连接图21未来车辆将逐渐被燃料电池车辆替代22燃料电池大客车23燃料电池大客车布置24混合动力燃料电池大客车原理25燃料电池小客车26电动车控制器27矿物燃料制氢矿物燃料制氢28再生能源电解制氢再生能源电解制氢29加氢站设施加氢站设施30使用氢燃料安全吗？请比较下图，提出您的看法？左图为氢汽车着火，右图为汽油汽车着火。31再再 见见32
