第六章--燃料电池汽车

LOGO1燃料电池概述2质子交换膜燃料电池第六章燃料电池汽车4燃料电池汽车的结构与原理3燃料电池汽车概述5燃料电池汽车实例LOGO•燃料电池的基本概念及特点•1．燃料电池的定义•燃料电池是直接将燃料的化学能转化为电能的发电装置。将燃料和空气分别送入燃料电池后，就可从其正极和负极输出电能。从表面上看，燃料电池与蓄电池一样，有正、负极和电解质等，但燃料电池不能通过充电的方法“储电”，只是一个通过消耗燃料来输出电能的发电装置。燃料电池概述LOGO•燃料电池的基本概念及特点•2.燃料电池与蓄电池的区别•（1）燃料电池通过电化学反应转化为电能的活性物质不在其内部，而是从其外部输入。•（2）燃料电池放电过程所消耗的活性物质无须通过充电来还原，只需要向电池内不断输入燃料及氧化剂，并将电化学反应产物及时排出即可持续提供电能。燃料电池概述LOGO•燃料电池的基本概念及特点•2.燃料电池与蓄电池的区别•（3）燃料电池本体只决定电池的输出功率，而燃料电池能量的大小则取决于外部可输入的燃料和氧化剂。因此，燃料电池的比能量可以很高，而续驶里程主要取决于燃料的储备容量。•（4）燃料电池的内部结构和系统的控制比较复杂，尤其是放电控制不如普通化学电池方便。燃料电池概述LOGO•燃料电池的基本概念及特点•3．燃料电池与原动机辅助动力单元的区别•（1）燃料电池的燃料通过电化学反应直接转化为电能，没有燃烧转化为热能的过程，因而无燃料燃烧排放物，对环境污染很小。•（2）燃料电池的氧化还原反应不在同一地点，而是在负极进行氧化反应，在正极进行还原反应。由于燃料电池的能量转换过程不受卡诺循环的限制，也无须通过机械能转换为电能，所以能量转换效率高。燃料电池概述LOGO•燃料电池的基本概念及特点•3．燃料电池与原动机辅助动力单元的区别•（3）燃料电池无热机的工作噪声，也无机械传动装置的工作噪声，因此，燃料电池本身的工作噪声很小。•（4）燃料电池不能直接使用汽油、柴油等燃料，需用氢作燃料，或以经过重整的富氢燃料气为间接燃料。其对燃料的要求较高，燃料的成本也较高。燃料电池概述LOGO•燃料电池的分类•1．按工作温度分•（1）低温燃料电池•（2）中温燃料电池•（3）高温燃料电池燃料电池概述LOGO•燃料电池的分类•2．按燃料的来源分•（1）直接式燃料电池•（2）间接式燃料电池•（3）再生式燃料电池燃料电池概述LOGO•燃料电池的分类•3．按燃料电池采用的电解质分•（1）碱性燃料电池•（2）磷酸燃料电池•（3）质子交换膜燃料电池•（4）熔融碳酸盐燃料电池•（5）固态氧化物燃料电池燃料电池概述LOGO燃料电池概述LOGO•燃料电池的发电原理•1．燃料电池的基本原理•燃料电池的核心部分是燃料（阳极）、电解质、氧化剂（阴极）。其发电原理如图所示。燃料电池工作时，向阳极供给燃料（氢），向阴极供给氧化剂（空气），在其内部产生电化学反应。燃料电池概述LOGO•燃料电池的发电原理•1．燃料电池的基本原理•燃料电池概述LOGO•燃料电池的发电原理•2．燃料电池的电动势及工作电压•（1）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。燃料电池概述LOGO•燃料电池的发电原理•2．燃料电池的电动势及工作电压•（2）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、负极之间的电位差（工作电压）为燃料电池概述LOGO•燃料电池的发电原理•2．燃料电池的电动势及工作电压•燃料电池概述LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•1．质子交换膜燃料电池的工作原理•质子交换膜燃料电池主要由膜电极和集流板组成。其工作原理如图所示。经增湿后的H2和O2分别进入阳极室和阴极室，经电极扩散层扩散到催化层和质子交换膜的界面，在催化剂的作用下分别产生氧化反应和还原反应。阴极反应生成的质子（H+）通过质子交换膜传导到阳极，阳极反应产生的电子则经外电路到达阴极，形成放电电流；生成的水（H2O）以水蒸气或冷凝水的形式随着过剩的阴极反应气体从阴极室排出。•质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•1．质子交换膜燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•2．质子交换膜燃料电池单体的组成部件质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•2．质子交换膜燃料电池单体的组成部件•（1）膜电极•膜电极（MEA）是质子交换膜与两侧的气体扩散层（阴、阳电极）通过热压而成的复合体。质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•2．质子交换膜燃料电池单体的组成部件•对质子交换膜的要求如下：•1）具有良好的离子导电性能。•2）应有适度的含水率。•3）在电池工作时具有良好的化学稳定性。•4）在极薄结构尺寸下仍具有足够的机械强度。•5）膜表面与催化剂有良好的结合性能。质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•2．质子交换膜燃料电池单体的组成部件•（2）双极板双极板又称为集流板，放置在膜电极的两侧，可将各电池单体串联起来。双极板的两侧分别与相邻两电池单体的阳极和阴极接触，这样，无须导线就可将各电池单体串联起来。集流板除了用作导电和串联各电池单体外，其表面的导流槽还起导流燃料、氧气及冷却水的作用。质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•3．质子交换膜燃料电池系统•由燃料电池单体通过串联的方式组成的燃料电池堆必须持续地供给燃料和氧化剂，并及处理电化学反应产生韵水和热才能正常工作。因此，一个能持续向外供电的燃料电池必须配备燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统及协调各系统工作的电子控制系统。质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•3．质子交换膜燃料电池系统•（1）燃料电池电堆燃料电池电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成，如图所示。将双极板与膜电极交替叠合，在各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆。质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•3．质子交换膜燃料电池系统•质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•3．质子交换膜燃料电池系统•（2）燃料及其循环系统质子交换膜燃料电池用纯氢作燃料，也可用甲醇、天然气等碳氢化合物作燃料。以纯氢为燃料的循环系统，由氢源、稳压阀和循环回路组成。其中，氢源可以采用压缩氢气、液氢或金属氢化物储氢；稳压阀的作用是控制燃料氢气的压力；循环回路用以循环利用过量的燃料气，通常是用一个循环泵或喷射泵将过量的氢气送回到电池燃料气的入口处，因此，氢源所提供的氢几乎全部被用来发电。•质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•3．质子交换膜燃料电池系统•（3）氧化剂及其循环系统质子交换膜燃料电池的氧化剂采用纯氧或空气，如果用纯氧作氧化剂，则其系统组成及控制与纯氢燃料循环系统类似。实际运用的质子交换膜燃料电池均采用空气作氧化剂，并且根据不同的应用需要，有常压空气和压缩空气两种。质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•3．质子交换膜燃料电池系统•（4）热管理系统水/热管理系统也是质子交换膜燃料电池系统的重要组成部分。大部分的反应产物水随着过量的空气流从阴极排出。氧化剂的流量是质子交换膜燃料电池发生反应所需化学计量流量的2倍。由于质子交换膜燃料电池的最佳工作温度约为80℃，并且反应产物均以液态形式存在，易于收集，因而其水管理系统相对较为简单。其他类型的燃料电池的反应产物水也可由阳极排出。质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的组成•3．质子交换膜燃料电池系统•（5）控制系统。质子交换膜燃料电池系统由众多子系统组成。每个子系统既独立，又相互联系。因此，任何一个子系统工作失常都将直接影响燃料电池的性能。为确保整个系统可靠地运行，需要由控制系统对各子系统进行协调控制。控制系统由各种传感器、电子控制器及控制执行器（阀、泵、调节装置等）组成。质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的工作特性及影响因素•反映质子交换膜燃料电池工作性能好坏的重要参数有工作电压、输出电流及输出功率等。在燃料电池工作过程中，影响其工作特性的因素主要有燃料电池电堆本身的技术状况、燃料电池的工作条件及燃料电池系统的水/热管理。质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的工作特性及影响因素•1．燃料电池电堆本身技术状况的影响•（1）膜电极的结构、制备方式和条件。•（2）质子交换膜的类型、厚度、预处理情况、传导质子的能力、机械强度、化学和热稳定性。•（3）催化剂的含量和制备方法。•（4）双极板的结构和流场的结构与布置。质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的工作特性及影响因素•2．燃料电池工作条件的影响•（1）工作电压、功率密度•及能量效率与输出电流的关系•（2）工作压力的影响质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的工作特性及影响因素•2．燃料电池工作条件的影响•（3）工作温度的影响质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的工作特性及影响因素•2．燃料电池工作条件的影响•（4）燃料气中杂质的影响质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的工作特性及影响因素•2．燃料电池工作条件的影响•（4）燃料气中杂质的影响质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的工作特性及影响因素•3．燃料电池系统水/热管理的影响•（1）水管理的影响。当质子交换膜燃料电池工作时，为了能同时获得高的能量转换效率及功率密度，就必须使质子交换膜的导电性保持在最佳状态，而这需要通过水管理来维持燃料电池内部的水平衡，使质子交换膜始终保持在适宜的湿润状态的同时，阴极又不会被水淹渍。影响水管理的主要因素有：电流密度、进入燃料气的增湿程度、工作温度、气室压力及气体流速等。质子交换膜燃料电池LOGO•质子交换膜燃料电池的工作特性及影响因素•3．燃料电池系统水/热管理的影响•（2）热管理的影响热管理的作用是控制燃料电池的工作温度。质子交换膜燃料电池是低温型燃料电池，但其工作温度仍然高于环境温度。质子交换膜燃料电池工作时，会产生大量的热，需要采取适当的冷却措施，并通过适当的控制使其保持在适宜的温度。质子交换膜燃料电池的工作温度不能高于100℃。质子交换膜燃料电池LOGO•燃料电池汽车的发展概况•1．燃料电池汽车的特点•（1）因燃料直接通过电化学反应产生电能，无热能转换过程，故不受卡诺循环的限制，能量转换效率高，实际能量转换效率高达50%～70%。•（2）当燃料电池使用氢燃料时，其排放的是水，无污染；当使用甲醇、汽油等其他燃料时，排放的CO2比汽油机少1/2。燃料电池汽车概述LOGO•燃料电池汽车的发展概况•1．燃料电池汽车的特点•（3）燃料电池堆可由若干个单元电池串联或并联而成，可根据质量分配均衡和空间有效利用的原则，机动灵活地进行配置。•（4）燃料电池无运动部件，振动小，噪声低，零部件对机械加工精度要求不高。燃料电池汽车概述LOGO•燃料电池汽车的类型•1．按有无蓄能装置分类•（1）纯燃料电池汽车•（2）混合型燃料电池汽车燃料电池汽车概述LOGO•燃料电池汽车的类型•2．按燃料电池与蓄电池的结构关系分类•（1）串联式燃料电池汽车燃料电池汽车概述LOGO•燃料电池汽车的类型•2．按燃料电池与蓄电池的结构关系分类•（1）串联式燃料电池汽车（2）并联式燃料电池汽车燃料电池汽车概述LOGO•燃料电池汽车的类型•3．按提供的燃料不同分类•（1）直接燃料电池汽车•（2）重整燃料电池汽车燃料电池汽车概述LOGO•燃料电池汽车与普通燃油汽车相比，其外形和内部空间几乎没有什么区别，不同之处在于动力系统。燃料电池汽车的结构与原理LOGO•直接燃料电池汽车燃料电池汽车的结构与原理LOGO•直接燃料电池汽车•1．燃料电池系统•燃料电池系统的核心是燃料电池电堆，此