电动汽车概论第四章燃料电池汽车概论.docx

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电动汽车概论第四章燃料电池汽车概论

第四章燃料电池汽车概论

一、燃料电池汽车的特点

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2～3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。

燃料电池汽车的氢燃料能通过几种途径得到。

●有些车辆直接携带着纯氢燃料：

●另外一些车辆有可能装有燃料重整器，能将烃类燃料转化为富氢气体。

　单个的燃料电池必须结合成燃料电池组，以便获得必需的动力，满足车辆使用的要求。

与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：

　1、零排放或近似零排放。

　　2、减少了机油泄露带来的污染。

　　3、降低了温室气体的排放。

　　4、提高了燃油经济性。

　　5、提高了发动机燃烧效率。

　　6、运行平稳、无噪声。

二、燃料电池的工作原理与主要优缺点

1、燃料电池的工作原理

2、燃料电池的主要优点与存在的问题：

∙燃料电池的主要优点：

∙特有的燃料效率高、比能量大、比功率大、供电时间长、使用寿命长、可靠性高、噪声低及不产生有害排放物NO2等优点正在引起世界各国的注意。

与内燃机汽车相比，氢燃料电池电动汽车有害气体的排放量减少99%，CO2的生成量减少75%，电池能量转换效率约为内燃机效率的2.5倍。

这种电池将有可能成为继内燃机之后的汽车最佳动力源之一。

燃料电池目前存在的问题：

燃料电池技术虽已取得快速发展，但要使其装载使用达到规模，仍有一些难题需要解决：

氢的制取、储存及携带危险性大、成本高、基础设施建设投资大等。

当前研究和开发工作的重点是降低成本和开发大规模制造工艺。

直接供氢的FCEV推广普及的关键是纯氢的供应和储存。

为了保证直接供氢的FCEV用氢的需要，必须建造氢站，这就增大了直接供氢的FCEV商品化和推广普及的难度，因此，世界上各大汽车公司纷纷推出了通过燃料重整反应制取氢气的技术，可使用多种碳氢燃料，包括醇类燃料、天然气等。

目前，通过重整反应利用甲醇制取氢气的技术已十分成熟，甲醇为液体燃料，携带方便，提高了燃料电池电动汽车的续驶里程，且燃料能量的利用率可达70%-90%，大大高于热力发动机的效率。

随着燃料电池的体积功率和质量功率的逐步提高，生产成本的不断降低，制造材料和工艺的进一步改进和完善，以燃料电池作动力的汽车将会得到广泛使用。

三.燃料电池的类型

燃料电池按燃料状态分为液体型和气体型2种：

按工作温度分为：

◆低温型（低于200℃）

◆中温型（200-750℃）

◆高温型（高于750℃）。

按电解质类型不同分，常有这几种：

●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）等。

四、质子交换膜燃料电池（PEMFC）

质子交换膜产电池（PEMFC）采用可传导离子的聚合膜作为电解质，所以也叫聚合物电解质燃料电池（PEFC）、固体聚合物燃料电池（SPFC）或固体聚合物电解质燃料电池（SPEFC）。

PEMFC电池以铂（Pt）为电极催化剂，纯氢为燃料，空气或氧为氧化剂。

它的最大特点是可以在室温条件下启动，工作温度一般为23-100℃，无腐蚀问题（纯水体系），电池寿命长（10年以上），工作电流密度高（通常几百mA/cm2，高时可达几A/cm2），比功率高（超过200W/kg），比能量高（超过200Wh/kg）。

（1）PEMFC的构成及工作原理

　　PEMFC的基本构成为：

电池本体、辅助系统（包括燃料及氧化剂的循环回路，湿度、温度及压力的监控，产物水的输出及热交换装置等）和燃料及氧化剂的储存（或制造）系统。

在实际应用中，还有电池的安全系统和功率调节系统。

　　电池本体（或称电池堆）由若干个单体电池串联、并联或混合形式联结而成；每个电池单体又由离子交换膜、电极（阳极和阴极）和带有气流通道的集流板组成。

　　集流板包括阳极板和阴极板。

集流板的功能是导入反应气体，即氢气和氧气，并移走电池反应产物，同时起密封保护作用。

现在集流板的制造技术已经很成熟，可以用精密铣床在石板上加工沟槽实现。

在电池内部，两电极被电解质分开，集流板分别位于两电极外侧。

电池工作时，燃料由阳极集流板供给到阳极，在阳极发生氧化反应，并向外电路放出电子；氧化剂通过阴极集流板供给到阴极，在阴极处从外电路获得电子，发生还原反应；电子通过外电路由阳极流向阴极，电池内部电荷载体的传导借助电解质来完成。

这样，内外电路一起构成闭合回路，完成化学能向电能的直接转化。

（2）PEMFC的关键构件

①PEMFC的聚合物电解质。

聚合物电解质膜片除了维持离子充电外，还分别通过阳极和阴极使氧化剂和燃料分开。

PEMFC的聚合物电解质主体--离子交换膜（IEM）是PEMFC的核心。

PEMFC中的IEM与一般的化学电源隔膜有很大的不同，主要表现在它的功能是作为电解质和电极活性物质的基底以及能选择透过质子，而不是像普通膜那样呈多孔性。

　　聚合物电解质膜片对质子的传导性与吸入的水量成正比，因此，为了使PEMFC能可靠地进行工作，电池中的燃料流和氧化剂流必须“湿化”，即聚合膜必须完全成为水合物，可以利用电化学反应产生的水和加湿的气体燃料中的水分。

聚合膜脱水会导致电阻大幅度上升。

在电池的燃料侧，必须保持高的局部水压，因为每个离子从阳极移动到阴极通过膜时，都载着水作为水合层，在阳极这些水必须不断得到补充，这就必须将工作温度限定在100℃以下。

很薄的聚合物电解质膜片有利于水从阴极向阳极扩散。

离子交换膜（IEM）研究主要面临的问题有：

①膜的厚度设计时，若厚度太厚，那么导致膜的电阻增大，从而降低膜的导电性能；太薄又容易引起氢气的泄漏和膜的破环；②提高IEM的稳定性和电化学性能；③降低膜的造价；④发展高温聚合物（150-200℃），这样的温度会降低电极对CO中毒的灵敏性，缓解水对质子传导、水平衡问题的影响程度，并且在较高的温度条件下，废热可回收利用，提高PEMFC的效率。

②电极催化剂。

在PEMFC中，铂是最好的电极催化剂。

由于这种电池是在低温条件下工作的，因此，提高催化剂的活性，防止电极催化剂中毒很重要。

早期的PEMFC要充填2-4mg/cm2的铀，近年来，随着对催化剂的研究，充填数量已减少1-2个数量级。

当PEMFC的燃料不是纯H2时，它必须与烃类重整置匹配使用，碳氢燃料制氢的重整反应需要在200-250℃之间的温度下进行，而制的氢中总会有少量的CO，易引起铂催化剂的中毒。

若CO体积分数超过2×10-5，那么燃料电池的效率与寿命都会降低。

在酸性电解质中，CO优先被吸附于铂上，妨碍了H2与催化剂表面的接触。

吸附作用与温度成反比，即温度越低，吸附作用越强。

CO过量会破坏离子交换膜的性能。

　　一种减少CO中毒的方法是在燃料中加入少量氧，用于氧化吸收CO，然后生产CO2；另一种方法是使用合成催化剂，例如Ru/Pt合金，Ru氧化而成的RuO2或Ru（OH）2在表面氧化CO。

　　此外，对于以甲醇为燃料的PEMFC电池，重整装置应有一个预氧化器，以便用数量得到精确控制的空气来氧化CO，从而减少来自重整反应器的CO，使之达到密度为106的可容忍程度。

这对运输行业来说是可行的。

③电极结构。

电极结构的优化和制造工艺是是PEMFC的关键技术，它决定了PEMFC的工作性能和适用性。

早期的PEMFC中，铂被沉积在聚合物膜片上，这些电极具有很厚的铂涂层（42mg/cm2）。

后来，由于采用气体-扩散电极，在碳上涂混有聚四氯乙烯的铂，使铂的用量大大降低。

目前，在PEMFC中，一般在电极内浸入全氟磺酸，并与膜热压合，这就是所谓的三合一工艺，这种工艺可以减少接触电阻，为离子提供合适的通道。

由于全氟磺酸树脂的价格是很昂贵的，所以研究工作主要是提高膜的使用效率，降低其成本，提高其可靠性。

④辅助系统。

燃料电池的可靠运行，除需要上述一些关键系统外，尚需氢气和氧气的回路系统等辅助系统。

相对而言，辅助系统的设计与制造难度较小，但也要考虑与其他系统的配套。

　　从总体来看，PEMFC是一个极为复杂的机电、液气两相控制系统，它不仅涉及到电化学反应，而且涉及了机械和电子控制，技术难度大。

目前，PEMFC电池组正在加速发展，几年前主要是解决质量比能低和在汽车上的携带问题。

当前要解决的问题主要是成本与CO允许值。

　　燃料电池电动汽车除了在车身、控制器及驱动系统等方面面临着与电动汽车相同的问题之外，在其储能动力源--燃料电池方面还有较多问题急需解决。

　　燃料电池将成为未来的最佳车用能源，这一观点已被广大的汽车界人士所认同。

虽然燃料电池可以采用多种燃料，甚至是内燃机用的所有燃料，但是真正起电化学反应的，仅仅是其中的氢和氧化剂中的氧；因此，氢燃料电池在氢燃料制取、储存及携带等方面以及非氢燃料电池的重整系统的效率、体积、质量大小及反应速度等方面的技术还需进一步提高。