第四章-燃料電池汽車ppt課件

1、新能源汽車概論,第四章 燃料電池汽車,二次電池,冷卻裝置,燃料電池,儲氫裝置,驅(qū)動裝置,4.1 燃料電池 4.2 燃料電池系統(tǒng) 4.3 燃料電池汽車的類型及應用,本章主要內(nèi)容,燃料電池概念：燃料電池（Fuel Cell，F(xiàn)C）是一種化學電池，它直接把物質(zhì)發(fā)生化學反應時釋放出的能量變換為電能，工作時需要連續(xù)地向其供給燃料和氧化劑。它是把燃料通過化學反應釋放出能量變?yōu)殡娔茌敵龅?，因此被稱為燃料電池,4.1 燃料電池,4.1.1 燃料電池的種類 根據(jù)電池電解液類型不同，可分為五類： （1）質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC,4.1 燃

2、料電池,其原理相當于水電解的“逆”裝置。 陽極陰極的電化學反應為： 2H24H+4e- 4e-+4H+O22H2O 總電化學反應為：2H2+O22H2O,質(zhì)子交換膜的工作原理,4.1 燃料電池,陽極和陰極發(fā)生的電化學反應為： H2+2OH-2H+2e- O2+4H+4e-2H2O 總電化學反應為： 2H2+O22H2O,堿性石棉膜型氫氧燃料電池的工作原理,2）堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell,AFC,該燃料電池以強堿（KOH、NaOH）為電解質(zhì)，氫氣為燃料，純氧或脫除微量二氧化碳的空氣為氧化劑，采用Pt/C、Ag等為電催化劑制備的多孔氣體擴散電極為氧電極，Pt-Pd/C、Pt

3、/C、Ni制備的多孔氣體電極為氫電極,4.1 燃料電池,陽極和陰極發(fā)生的電化學反應為： H22H2O+2e- O2+2H2O+4e-4OH- 總電化學反應為： 2H2+O22H2O,磷酸燃料電池的工作原理,3）磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell， PAFC,磷酸燃料電池是以磷酸為導電電解質(zhì)的酸性燃料電池。磷酸燃料電池使用液化磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中。當以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑時，在電池內(nèi)發(fā)生電化學反應,4.1 燃料電池,陽極和陰極發(fā)生的電化學反應為： H2+CO32-H2O+CO2+2e- O2+2CO2+4e-2CO32- 總電化學反應為：O2+2C

4、O2+2H22CO2+2H2O,熔融碳酸鹽燃料電池工作原理,4）熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC,熔融碳酸鹽燃料電池是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池。單體的熔融碳酸鹽燃料電池一般是平板型的，由電極-電解質(zhì)、燃料流通道、氧化劑流通道和上下隔板組成,4.1 燃料電池,5）固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell， SOFC,固體氧化物燃料電池的基本組成,固體電解質(zhì)是固體氧化物燃料電池最核心的部件，它的主要功能在于傳導氧離子，它的性能（如電導率、穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)、致密化溫度等）不但直接

5、影響電池的工作溫度及轉(zhuǎn)換系數(shù)，還決定了與之相匹配的電極材料及其制備技術,4.1 燃料電池,陰極發(fā)生的電化學反應為：O2+4e-2O2- 陽極材料首選價格最低的NI/YSZ陶瓷合金,固體氧化物燃料電池工作原理示意圖,5）固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell， SOFC,4.1 燃料電池,4.1.2 燃料電池的特性,當由燃料電池提取電流時，因電極和電解液中存在歐姆電阻而產(chǎn)生電壓降，它正比于電流密度，即 式中， Re為按面積所得的等值歐姆電阻；i 為電流密度,在燃料電池中，由于需要附加能量去克服活性勢壘，故部分產(chǎn)生的能量損失存在于促成物質(zhì)反應的過程之中。這些損耗稱為活性損耗

6、，并由活性電壓降Va予以表達。Tafel 關系式是應用于這一特性的最一般的數(shù)學描述，由此可得活性電壓降為 也可寫為 式中， 其中 i0 為平衡態(tài)條件下的交變電流； b 為取決于過程的常數(shù),4.1 燃料電池,4.1.2 燃料電池的特性,當電流流通時，離子在鄰近負極處放電，因此，在該區(qū)域中，離子濃度趨于減小。因離子缺少所導致的電壓降稱為濃度電壓降，因為它與緊鄰電極處的電解液濃度的降低相關聯(lián)。對應于較低的電流密度，濃度電壓降通常較小。 在電極處離子被遷移（燃料電池中的陰極）條件下，由離子濃度所引起的電壓降可表達為 而在電極處離子被生成（燃料電池中的陽極）條件下，則為 式中， iL為極限的電流密度,4

7、.1 燃料電池,4.1.2 燃料電池的特性,因離子濃度所導致的電壓降不僅限于電解液，當反應物或生成物是氣態(tài)物時，在反應區(qū)中，局部壓力的變化也表征了離子濃度的變化。例如，在氫氧燃料電池中，氧可以從空氣中引入，當反應發(fā)生時，氧被遷移接近電極微孔中的電極表面，而在那里與在整體空氣情況中相比，氧的局部壓力必然下降。由局部壓力變化所必然導致的電壓降為 式中，Ps 為表面處的局部壓力； Po為所用多孔材料中的局部壓力,4.1 燃料電池,4.1.2 燃料電池的特性,如圖為氫氧燃料電池在溫度為 T=80條件下，其單元電壓與電流密度的關系曲線。由圖可見，由化學反應（包含活性和濃度變化）引起的壓降是產(chǎn)生電壓降的原

8、因,氫氧燃料電池的單元電壓與電流密度的關系曲線,燃料電池中的能量損耗可通過電壓降予以表達，因此，燃料電池的效率可表示為 式中，V0r為在標準條件下單元電池的可逆電壓,4.1 燃料電池,4.1.2 燃料電池的特性,氫氧燃料電池的效率-電流密度曲線如圖所示，隨著電流增加，效率下降而功率增加。因此，在低電流下運用燃料電池，即在低功率下可獲得高運行效率,氫氧燃料電池中的運行效率隨著電流密度的變化,4.1 燃料電池,4.1.2 燃料電池的特性,氫-空氣燃料電池系統(tǒng),輔助設備主要包括空氣循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、排氣扇、燃料供應泵和電控設備。在輔助設備中，空氣循環(huán)泵的能量消耗最大，其消耗功率（含驅(qū)動電機）約占

9、燃料電池堆總輸出功率的10%，其他較小,4.1 燃料電池,4.1.2 燃料電池的特性,該圖表明了該燃料電池系統(tǒng)的最佳運行區(qū)域在其電流范圍的中間區(qū)域，估計在最大電流的 7%50%范圍內(nèi)。大電流將導致低效率，是因為在燃料電池堆中產(chǎn)生了較大的電壓降；另一方面，很小的電流導致低效率，則是因為輔助設備所消耗能量的百分比的增大,氫-空氣燃料電池的單元電壓、系統(tǒng)效率和凈功率密度隨凈電流密度變化的曲線,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.1. 燃料電池堆,單體電池殼體及膜電極集合體,膜電極集合體,1）膜電極組件,陰極擴散層,陰極催化劑層,質(zhì)子交換膜,陽極催化劑層,陽極擴散層,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.1. 燃料

10、電池堆,2）電極催化劑,電催化劑的功能是加速電極與電解質(zhì)界面上的電化學反應或降低反應的活化能，使反應更容易進行。在質(zhì)子交換膜燃料電池中，催化劑的主要功能是促進氫氣的氧化和氧氣的還原。催化劑必須具備以下幾個條件,高電催化活性,催化劑要對氫氣氧化反應和氧氣還原反應都具有較高的催化活性，而且還要對反應過程中存在的副反應具有較好的抑制作用,高電催化穩(wěn)定性,催化劑的穩(wěn)定性取決于其化學穩(wěn)定性和抗中毒能力?；瘜W穩(wěn)定性好是指催化劑在電解質(zhì)溶液中不腐蝕,大的比表面積,有適當?shù)妮d體,有好的導電性,因為氫或氧在催化劑上反應后的電子要通過催化劑傳導，因此，催化劑必須具有較高的電導率,用適當?shù)妮d體就能夠達到這樣的效果。

11、常用的載體有活性炭、炭黑等，它們的比表面積大、導電性好,電催化活性一般與催化劑的比表面積有關。一般來說，比表面積大，電催化活性也高,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.1. 燃料電池堆,3）質(zhì)子交換膜,它是一種絕緣體，作為隔膜，把陰、陽兩極分開，防止電池短路，也防止氫氣與氧氣直接接觸,它是一種質(zhì)子導體，它能把氫在陽極氧化生成的H+輸送至陰極，提供陰極反應所需要的H+，并使電池形成電回路,質(zhì)子交換膜功能,質(zhì)子交換膜最主要的性能是要有好的質(zhì)子導電性,Nafion膜的性能,Nafion膜有很好的質(zhì)子導電性，一個H+的遷移一般要伴隨0.6個水分子的遷移。這種膜在缺水的情況下，H+的傳導性將顯著下降，所以保持

12、膜的適度濕潤性非常重要,干的 Nafion 膜有很好的機械強度，但當其含水量增加時，機械強度會降低，因此必須控制質(zhì)子交換膜燃料電池的水含量,Nafion 膜的另一個優(yōu)點是有好的化學穩(wěn)定性,Nafion膜存在的問題,1.價格昂貴,2.膜內(nèi)水量難控制,3.膜濕度要求較高,4.操作溫度,5.在0一下膜內(nèi)結(jié)構(gòu)被破壞,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.1 燃料電池堆,3）質(zhì)子交換膜,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.1. 燃料電池堆,4）雙極板和流場,雙極板的功能,分隔反應氣體并通過流場將反應氣體導入燃料電池，收集并傳導電流和支撐膜電極,同時還承擔整個燃料電池系統(tǒng)的散熱和排水功能,雙極板又稱集流板、隔板，是電池

13、的核心部件之一。質(zhì)子交換膜燃料電池的氣室主要是由雙極板構(gòu)成的。每個雙極板的兩面形成兩個氣室：一面是氫氣室；另一面是氧氣室。雙極板的中間是冷卻管道,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.1. 燃料電池堆,4）雙極板和流場,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.1. 燃料電池堆,4）雙極板和流場,流場功能： 引導反應氣體的流動方向，確保反應氣體均勻分配到電極各處。 合理流場結(jié)構(gòu)可以使電極各處都能獲得充足的反應物。 及時把電池生成的水排出，保證電池具有較好的性能和穩(wěn)定性,雙極板結(jié)構(gòu)示意圖,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.1. 燃料電池堆,4）雙極板和流場,流場種類：點狀流場、網(wǎng)狀流場、多通道流場、蛇形流場、交錯型流場

14、、交指流場、螺旋流場、平行流場、平行蛇形流場和平行溝槽流場等,蛇形流場,平行流場,平行蛇形流場,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.2. 氫供給系統(tǒng),在通常狀況下，氫是無色、無味、無嗅的氣體，極難溶解于水。與其他氣體能量載體不同的是，氫氣難以液化，導致大規(guī)模的儲氫非常困難，這已經(jīng)成為氫能利用走向規(guī)?；钠款i。為了更大規(guī)模、更安全地儲氫，人們進行了如下多種氫氣存儲方法的研究,壓縮氣體形式儲氫,通過壓縮方式儲存氫，對環(huán)境污染很小，使用比較安全,液態(tài)儲氫,在 22K 左右的溫度下以液態(tài)形式儲存氫，是目前唯一使用最廣泛的大規(guī)模儲氫方式,可逆金屬氫化物儲氫,碳納米纖維儲氫,各國學者對碳納米材料的儲氫研究剛剛開

15、始，研究成果也各不相同。但，納米纖維儲氫已經(jīng)顯示出了顯著的優(yōu)越性，有望成為未來儲氫的有效方法,金屬氫化物在較低的壓力下具有較高的儲氫能力。金屬氫化物儲氫雖然具有較高的容積效率且使用安全，但質(zhì)量效率較低,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.2. 氫供給系統(tǒng),用氫氣作為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)設備相對簡單，起動快、性能穩(wěn)定，對負荷變化的響應快，相對成本較低。因此采用質(zhì)子交換膜燃料電池的燃料電池汽車受到了高度的重視,典型的車載供氫系統(tǒng)模型,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.2. 氫供給系統(tǒng),過濾器的作用是給儲氫罐提供高純度氫氣，具有單向截止的功能。高壓氣體通過減壓后向燃料電池發(fā)動機提供穩(wěn)定的氫氣供應。流量

16、電磁控制閥門開度大小的控制信號由過流保護裝置發(fā)出,儲氫罐口過流保護裝置的設計構(gòu)想,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.3. 熱管理系統(tǒng),熱管理的必要性：為了保持電池的恒溫運行，并避免電池堆在高電流密度工作時造成局部過熱，必須要進行熱管理,熱管理對電池溫度的控制,溫度較低時，電池存在較為明顯的活化極化，而且質(zhì)子交換膜的阻抗也較大,另一方面，如溫度較高，使水蒸發(fā)速度加快，會使反應氣體帶走過量的水而使質(zhì)子交換膜脫水，使膜的性能變差，引起電池性能下降,冷卻裝置：將電池運行時產(chǎn)生的熱量及時排出，使質(zhì)子交換膜燃料電池在恒溫下工作，以保持穩(wěn)定的性能,冷卻方式,冷卻水循環(huán)方式，這種方式比較方便，但要消耗較多的動力,

17、利用液體的蒸發(fā)來控制溫度，被稱為利用液體的潛熱,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.4. 水管理系統(tǒng),1）水管理的原因 電池中的水是由兩個方面產(chǎn)生的：一方面是增濕帶入一部分水；另一方面是反應生成的水。水在質(zhì)子交換膜燃料電池中是以氣態(tài)和液態(tài)存在的。質(zhì)子交換膜燃料電池中使用的 Nafion膜的H+擴散一定需要水的伴隨，Nafion 膜的H+電導率與膜內(nèi)含水量成一定的比例關系，如膜內(nèi)沒有水分， Nafion 膜就不能傳導H+，因此，沒有水電池就不能工作,另外，氧在陰極上還原生成水，如不把生成的水排出，電池內(nèi)含水過多后，會淹沒電極，阻塞電極或氣體擴散層的孔洞，使氫氣和氧氣都不能擴散到電極上，電池也不能正常工

18、作。因此，質(zhì)子交換膜燃料電池正常工作的一個重要條件就是要控制好電池內(nèi)的水分，濕度要適宜。而且，電池內(nèi)的水含量要均勻，局部的水分過多或過少，也會影響電池的性能,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.4. 水管理系統(tǒng),2）水管理方式,增濕方式,外增濕方式,內(nèi)增濕方式,鼓泡法。這種方法一般適用于實驗室使用，而不適用于實際的電池系統(tǒng),噴射法。這種方法需要加壓泵和閥門等，這些設備要消耗能量，但該技術比較成熟，一般在大型質(zhì)子交換膜燃料電池堆上廣泛使用,自吸法。該法是在電極的擴散層中加入燈芯，這些燈芯浸在水中，將水直接吸入 Nafion膜內(nèi)。這種方法可實現(xiàn)膜濕度的自我調(diào)節(jié)，缺點是燈芯的使用增加了電池的密封難度，因此

19、現(xiàn)在較少使用,較好的一種內(nèi)增濕方式是讓空氣和氫氣呈逆向流動排列，各干燥的反應氣體在進入電池后從膜中吸收水分，而膜要從電池的潮濕反應氣體中吸收水分，在電池組內(nèi)部形成水循環(huán)，從而使安全操作成為可能,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.5. 氫安全系統(tǒng),通常采用兩種措施：一是儲氫裝置和輸送管路選用不易造成泄漏的材料和結(jié)構(gòu)；二是實時監(jiān)測燃料電池系統(tǒng)中氫的泄漏情況,1）燃料電池系統(tǒng)的安全保護措施,氫氣源切斷保護裝置 當汽車發(fā)生碰撞事故時，保護裝置會根據(jù)碰撞傳感器所發(fā)出的信號及時切斷電源和氣源，以避免因氫氣泄漏而造成更為嚴重的事故,用吸能車架保護燃料電池系統(tǒng) 一些燃料電池汽車車身、車架采取了特殊的結(jié)構(gòu)措施，以保

20、護燃料電池系統(tǒng)在汽車發(fā)生碰撞時不易受損,儲氫瓶的安全措施 儲氫瓶壓力高達 2535MPa，當汽車發(fā)生碰撞時，如果高壓儲氫瓶受損破裂，則后果將不堪設想。為此，除了選用高強度的儲氫瓶外，在汽車結(jié)構(gòu)上還要考慮盡可能減小汽車碰撞時對儲氫瓶的沖擊,4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.5. 氫安全系統(tǒng),2）燃料電池汽車氫氣監(jiān)測系統(tǒng),燃料電池汽車氫氣監(jiān)測系統(tǒng)工作原理：氫傳感器將周圍氫氣含量參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號，并輸送給控制器，然后控制器根據(jù)氫傳感器的信號判斷是否有氫氣泄漏及泄漏的嚴重程度，并輸出相應的控制信號，使危險報警裝置發(fā)出危險警報，或使用安全處理裝置進行控制（切斷高壓電路或關閉氫氣源），及時排除安全隱患,燃料電

21、池汽車氫氣監(jiān)測系統(tǒng),4.2 燃料電池系統(tǒng),4.2.5. 氫安全系統(tǒng),3）燃料電池汽車的其他安全措施,燃料電池汽車的防靜電措施 一些燃料電池汽車的車體底部通常設有接地導線，可及時將靜電釋放回大地，以確保燃料電池汽車的安全,燃料電池汽車的防爆措施 采用防爆型氫傳感器，不用觸點式傳感器；當燃料電池汽車儲氫瓶內(nèi)存有氫氣時，嚴禁在車上進行電焊等會產(chǎn)生電弧的相關操作,、燃料電池汽車氫安全操作規(guī)程 嚴禁在車庫內(nèi)進行大規(guī)模的加氫操作；在燃料電池汽車起動前，應檢查燃料電池系統(tǒng)管路的氣密性，確保無泄漏；在調(diào)試及燃料電池汽車起動前，應用氮氣吹掃管路，并且在調(diào)試時必須由專人配備便攜式氫含量探測儀來檢查氫泄漏情況,4.

22、3 燃料電池汽車的類型及應用,燃料電池汽車的驅(qū)動模式，按照能源組合方式不同，可分為純?nèi)剂想姡≒FC）驅(qū)動和混合驅(qū)動兩種形式。混合驅(qū)動包括燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動（FC+B）、燃料電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)動（FC+C）及燃料電池與蓄電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動（FC+B+C,4.3.1 PFC型燃料電池汽車,純?nèi)剂想姵仉妱悠嚨膭恿ο到y(tǒng)如圖 4-22 所示，DC-DC變換器的作用是阻抗匹配，以解決燃料電池發(fā)動機輸出特性偏軟的問題,圖 4-22 純?nèi)剂想姵仉妱悠嚨膭恿ο到y(tǒng),4.3 燃料電池汽車的類型及應用,4.3.1 PFC型燃料電池汽車,優(yōu)點： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)系統(tǒng)控制和整體布置。 系統(tǒng)部件少

23、，有利于整車的輕量化。 較少的部件使得整體的能量傳遞效率高，從而提高整車的經(jīng)濟性,問題： 由于燃料電池的功率很大，導致燃料電池制造成本上升及整車質(zhì)量增加，引起整車消耗的功率增加。 燃料電池系統(tǒng)效率較高，但燃料電池系統(tǒng)的氫氣消耗量會增加，增加整車單位里程消耗的燃料，增加運營成本。 當汽車功率需求較大時，燃料電池易發(fā)生過載，難以滿足動態(tài)響應要求，系統(tǒng)壽命較短。 系統(tǒng)無法實現(xiàn)再生制動,一般情況下不采用單獨燃料電池驅(qū)動的方式。目前的燃料電池汽車主要采用的是混合驅(qū)動形式,4.3 燃料電池汽車的類型及應用,4.3.2 FC+B型燃料電池汽車,FC+B（燃料電池輔助動力電池）型聯(lián)合驅(qū)動的燃料電池電動汽車，在

24、該動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，燃料電池和蓄電池一起為驅(qū)動電機提供能量，驅(qū)動電機將電能轉(zhuǎn)化成機械能傳給傳動系統(tǒng)，從而驅(qū)動汽車前進。在汽車制動時，驅(qū)動電機變成發(fā)電機，動力電池將儲存回饋的能量。動力電池還可以單獨以純電動的模式驅(qū)動車輛，可以實現(xiàn)在燃料電池出現(xiàn)故障時的跛行返回,燃料電池+輔助蓄電池形式動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu),4.3 燃料電池汽車的類型及應用,4.3.2 FC+B型燃料電池汽車,該燃料電池系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點,由于增加了價格相對低廉得多的動力電池組，從而大大地降低了整車成本，且動力電池技術比較成熟，可以在一定程度上彌補燃料電池技術上的不足,燃料電池單獨或與動力電池共同提供持續(xù)功率，而且在車輛起動、爬坡和加速等有峰值功率需求時，動力電池可以單獨輸出能量或者提供峰值功率,制動能量回饋的采用可以回收汽車制動時的部分動能，該措施可能會提高整車的能量效率,系統(tǒng)對燃料電池的動態(tài)響應