第四章 燃料电池电动车

4.1.1氢能..现在生活和生产用能◇固定能源：电网的电（水电、火电、核电、风能发电、太阳能发电等）◇移动动力源：以石油为代表的液体燃料（汽车、飞机等）◇化学电源：电池（手机、各种小型电动工具）..后石油时代大型移动动力源(如汽车动力源)的解决方案◇生物燃料如生物柴油、乙醇等◇开发高比能量、高比功率的二次电池，发展电动车◇以氢为能量载体，用燃料电池发电(即所谓氢能经济)4.1.1氢能..氢气具有比任何燃料都高的比能量燃料比能量(Wh/kg)能量密度(Wh/L)压缩氢气a33600600液态氢气b336002400储氢镁24002100储氢钒7004500甲醇57004500汽油124009100a:环境温度@20MPa压力；b:低温环境@0.1MPa压力.�.氢能来源◇矿物燃料制氢◇再生能源电解制氢储氢方法◇(1)压缩氢气(CHG)◇将CHG装在20~35MPa玻璃纤维加强的铝瓶中。◇◇优点：质量轻、成本低、技术成熟以及燃料补充迅速等。◇◇缺点：体积大、存在安全问题。◇(2)液态氢◇冷冻氢气至-253℃以下，形成液态氢，并储存在低温容器中。◇◇优点：体积小、能量密度高、燃料补充迅速。◇◇缺点：生产成本和销售成本昂贵，具有挥发性等。◇(3)储氢金属◇使氢气与金属镁和钒反应形成储氢金属，储氢反应是可逆的并◇与分解温度有关(最高可达300℃)。◇◇优点：尺寸紧凑、使用安全等。◇◇缺点：氢气分离温度高(储氢镁分离温度287℃)以及相对较低◇的比能量(储氢钒比能量为700Wh/kg)。◇※纳米材料储氢······4.1.2燃料电池概述◇�燃料电池(FuelCell)是一种把燃料氧化的化学能直◇接转换为电能的“发电装置”。◇(问世于1839年)4.1.2燃料电池概述�燃料电池组成与基本工作原理(1)阳极(燃料电极)：为燃料和电解液提供了接触面，在催化剂作用下发生氧化反应并输出电子到外电路。(2)阴极(氧气电极)：为氧气和电解液提供了接触面，在催化剂作用下发生还原反应并从外电路接受电子。(3)电解液：用于在阳极和阴极之间传递燃料反应的离子。总反应式：2H2+O2→2H2Oe-燃料与氧化剂经催化剂作用，经过电化学反应生成电能和水。4.1.2燃料电池概述�燃料电池堆由于单元燃料电池产生的电压很低(约0.7V)，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。4.1.2燃料电池概述�燃料电池堆◇采用双极板实现单元燃料电池的连接。◇同一块双极板的两个侧面，分别与相邻单元燃料电池的阴极和阳极接触。◇双极板还起到将氢送到阳极，将氧或空气送到阴极的作用。4.1.2燃料电池概述燃料电池种类◇按燃料电池运行机理分类：酸性燃料电池和碱性燃料电池。◇按电解质种类分类：碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)。◇按燃料电池工作温度分类：低温型(温度低于200℃，如质子交换膜燃料电池)、中温型(温度为200~700℃)、高温型(温度高于750℃，如熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池)。◇按燃料类型分类：氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷、汽油、柴油和天然气等。有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。4.1.2燃料电池概述�特点◇反应速度和效率随参加反应气体参数的变化而不同，如压力、温度、湿度和负载的变化等。◇低电压、大电流。◇输出电压随温度升高而升高。◇输出电压随输出电流增大而下降。◇动态响应过程时间长。4.1.2燃料电池概述�优点◇高效：无燃烧，能量转换不受卡诺循环的限制，效率高达50%~60%，通过对余热的二次利用，总效率可高达80%~85%，能量利用效率是普通内燃机的2~3倍。◇环境友好：清洁无污染，氢/氧燃料电池的产物只有水，属于零排放或接近零排放（考虑到燃料重整时）◇安静：无振动与噪声。◇可靠性高：无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。◇燃料补充迅速、易于获得。◇燃料电池的效率随输出功率变化的特性比内燃机更适合于汽车的实际运行。燃料电池的效率在额定功率附近可达60％，部分功率下运行时效率会高于额定功率下的效率，可达约70%，过载功率下运行时效率略低于额定功率的效率，可达50~55％。过载能力强，更适合于汽车的加速、爬坡等工况。燃料电池。燃料电池的短时过载能力可达200％的额定功率。4.1.2燃料电池概述�存在的问题◇在瞬时大功率需求下性能有限◇成本高◇需热管理过载能力可达200％的额定功率。4.1.2燃料电池概述�燃料电池与普通蓄电池的区别◇本质区别燃料电池是一种能量转换装置，在工作时必须有燃料输入，才能产出电能，不存在充电问题。普通蓄电池是一种能量储存装置，必须先将电能储存到电池中，在工作时只能输出电能，在工作时不需输入燃料。◇燃料电池通过不断供给燃料，可连续放电。普通蓄电池必须重复充电后才可重复使用，放电是间断的。◇燃料电池需要一套燃料储存装置或燃料转换装置和附属设备，才能获得氢气，燃料会随着电能的产生逐渐消耗，质量逐渐减轻。普通蓄电池没有其它辅助设备，不论是充满电还是放完电，其质量和体积基本不变。◇燃料电池产生电能时，反应物质不断地消耗不再重复使用，要不断地输入反应物质。普通蓄电池充放电时，活性物质反复进行可逆性化学变化，活性物质并不消耗。4.1.2燃料电池概述�FCEV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150~200Wh/kg，比功率不低300~400W/kg。达到或超过美国先进电池联合体(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，实现FC发动机小型化和轻量化，符合FCEV装车的要求。◇燃料充添方便迅速，燃料电池能打开进行电极、电解质和催化剂的维护和更换。◇可在常温条件下工作，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。◇可在负荷变化情况下正常运转，能对FCEV行驶工况的变化快速响应。◇各种结构件有足够的强度和可靠性，能耐受FCEV行驶时的振动和冲击。燃料电池用于FCEV时的不足◇燃料电池可持续发电，但不能开开停停。◇不能被充电，不能接受FCEV制动或下坡时所反馈的再生制动电能，需要配备其它形式的蓄电池来存储燃料电池的多余电能和制动或下坡时所反馈的电能。4.1.3燃料电池发动机�组成◇氢气子系统1-氢气储存罐，2-氢气压力调节装置，3-热交换器，4-氢气循环泵◇空气子系统8-空气压缩机，9-空气加湿、去离子过滤装置◇燃料电池组◇控制子系统◇水热管理子系统5-冷凝器、气水分离器，6-水箱，7-水泵◇电气系统11-电源开关，12-DC/DC转换器，13-逆变器，14-电动机�氢气子系统◇氢气装载容器要求能保持低温，可承受高压的可靠密封和具有高效的安全防护。◇氢气供应系统的泵、管道、阀门和控制装置必须严密密封，在承受气体压力作用时不允许有任何泄漏和锈蚀。◇氢气供应系统应能实现自动控制，对氢气子系统中的压力、温度、流量和泄漏进行有效地监控，并在发生泄漏和事故时能及时报警和自动关闭，以保证系统的安全。�空气子系统◇空气子系统的泵、管道、阀门和控制装置等，与氢气储存装置具有相同的密封性能。◇空气供应系统应能实现自动控制。4.1.3燃料电池发动机�控制子系统根据参加反应气体的反应条件变化，对燃料电池电响应的速度和效率进行控制，将反应过程控制在适合的范围内，调节燃料电池输出功率。�水热管理子系统水采用循环系统管理，热量用于预热和暖气。4.1.3燃料电池发动机..DC/DC转换器FC发动机的关键部件。◇功能：FC具有低电压、大电流的特点，FC电压变化范围大。DC/DC与FC相匹配，将FC的电流转换为稳定、可控的直流电源，实现稳定FC发动机输出电压(使电压波动在允许范围内)，并对FCEV行驶载荷的变化响应灵敏，以保证FC发动机工作性能达到FCEV的动力性能要求。◇组成：由电流变换器、变压器、整流器等组成，由智能模块控制。4.1.3燃料电池发动机�燃料电池发动机在FCEV上的应用燃料电池发动机用于驱动传动系统和辅助系统(如空调、动力转向系统、制动系统等)。�燃料电池发动机的安全性◇燃料电池组的密封氢气进入燃料电池之前，氢气与氧气(空气)应完全隔绝并有严密的防泄漏装备。如果密封不好，氢气与氧气在反应前因泄漏而混合，会严重地影响燃料电池的效率。如果氢气泄漏到系统外，在适当的条件下，可能引发氢气的燃烧，严重的还会因氢气泄漏而造成爆炸事故。FCEV行驶中有颠簸和振动，对燃料电池的密封性要求更加严格。◇FCEV的乘员安全燃料电池发动机的布置应尽可能与乘客区分开，采取有效的安全防范措施，装配报警系统和应急防护系统，以确保乘员的安全。4.2燃料电池的结构及性能4.2.1质子交换膜燃料电池(PEMFC)4.2.2直接甲醇燃料电池(DMFC)4.2.3酸性燃料电池4.2.4碱性燃料电池(AFC)4.2.5熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)4.2.6固体氧化物燃料电池(SOFC)4.2.7各种燃料电池性能比较4.2.1质子交换膜燃料电池�基本结构由三种基本元件组成外电路ProtonExchangeMembraneFuelCell(PEMFC)：◇一个质子交换膜（两FC效率40%~60%侧载有催化剂铂）◇两个电极（兼气体扩热层）◇两个流场（双极板..工作原理阳极反应：2H2→4H＋+4e－阴极反应：O2+4e－+4H＋→2Η2O总反应：2H2+O2→2H2O�工作原理◇氢气H2在阳极经催化剂作用发生氧化反应，失去电子e-，转变为氢离子H+。◇H+经质子交换膜移至阴极，e-经外电路移至阴极。◇移至阴极的H+、e-和阴极处的氧气经催化剂作用发生还原反应生成水。氢离子H＋可穿过质子交换膜，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。4.2.1质子交换膜燃料电池�详细工作原理◇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＋。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。氢燃料流入靠阳极侧的双极板流道内，氧则流入靠阴极侧的流场板（双极板）流道内。◇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H－Pt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hydroniumion（H＋）这些水合氢离子离开铂催化剂穿越膜材料到达阴3O＋）。，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O－Pt键，使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。�关键部件◇质子交换膜PEM(ProtonExchangeMembrane)使用的材料Nafion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。�关键部件◇膜电极组件MEA(MembraneElectrodeAssembly)膜电极组件通常由电极(又叫气体扩散层)、催化剂层和质子交换膜层等组成。粒子上，催化剂一般为铂，目前用量为0.2mg/cm2。�关键部件◇双极板用于实现燃