電動汽車中燃料電池技術(shù)的研究

1、電動汽車中燃料電池技術(shù)的研究莊加興(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院南京210094摘要: 如今,全球汽車產(chǎn)業(yè)都在承受著石油短缺,環(huán)境污染所帶來的巨大挑戰(zhàn)。于是,越來越多的目光又重新回到了電動汽車的身上。本文便對最具發(fā)展前景的燃料電池的基本工作原理、重要發(fā)展意義及現(xiàn)有瓶頸進行深入探究。文中也提出了一些解決措施,并列出了一些關(guān)于如何發(fā)展和推廣燃料電池技術(shù)的個人意見。關(guān)鍵詞:燃料電池原理重要意義現(xiàn)有瓶頸發(fā)展與推廣Research On Full Cell Technology In Electric CarAbstract: Nowadays, car industry all over the world

2、 is bearing the huge challenge which comes from oil shortage and environment pollution. Then, more and more people turn their attention to it again. This passage make an in-depth exploration to the most promising full cell, including the basic operating principle, the significance of it and the bott

3、leneck existing now. I also put forward some suggestions about how to develop and promote the technology of the full cell. Keywords: principle of full cell significance bottleneck develop and promote1.引言汽車工業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè),是衡量一個國家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,其本身也給我們帶來了一系列環(huán)境,資源方面的問題。于是,一百多年前被我們拋棄的電動汽車方案又重新回到了我

4、們的視線中。它也將帶領(lǐng)我們在低碳經(jīng)濟時代邁出重要的一步。事實上,電動汽車所使用的電池種類繁多,而鉛酸蓄電池可以算是其中應(yīng)用歷史最長,也是最成熟,成本售價最低廉的蓄電池。它已經(jīng)實現(xiàn)大批量生產(chǎn),但也逐漸暴露出許多缺陷,如比能量低,所占質(zhì)量和體積太大,一次充電行駛里程短,循環(huán)壽命低,且其中的鉛作為重金屬存在著污染,因此不適合現(xiàn)代電動汽車發(fā)展的需要.當(dāng)然還有其他許多類別的電池,比如鎳氫電池,鋰離子電池,太陽能電池,超級電容器等,它們也是各有利弊,代表著電動汽車電池未來的各種發(fā)展方向。本文介紹的是燃料電池,其最大的特點就是幾乎“零污染”,號稱“終極電池”。我想,光憑這一點,它便可以成為我們所追求的未來理

5、想電池了,也正因為這樣,各個國家及各大汽車公司都非常重視燃料電池的研究與開發(fā)。由此可見,燃料電池對于當(dāng)今和未來社會都極為重要,尤其是在這個資源日益枯竭的21世紀(jì)。因此,了解和掌握燃料電池的原理,并以越來越成熟的技術(shù)將其運用到電動汽車產(chǎn)業(yè)上去,是必要甚至是迫切的。本文也將為大家介紹燃料電池的基本工作原理,其中,以質(zhì)子交換膜燃料電池為拓展,更深層次地去理解燃料電池的工作過程。之后將會探討燃料電池對人類,對社會,對當(dāng)下與未來到底有多大的意義,它現(xiàn)在所面臨的困境又是怎樣的,最后,我們應(yīng)該采取怎樣的一種戰(zhàn)略去真正發(fā)展和推廣這項技術(shù),讓燃料電池車普遍地流行起來,造福社會。2.基本原理燃料電池是一種化學(xué)電池

6、,它直接把物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時所釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能,工作時需要不斷接受燃料和氧化劑。由于它是把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茌敵?故稱燃料電池。燃料電池種類繁多,目前正在開發(fā)的商用燃料電池依據(jù)電解質(zhì)類型可以分為五大類:1.堿性燃料電池(alkaline fuel cell, AFC 2.磷酸燃料電池(phosphoric acid fuel cell, PAFC 3.質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, MCFC 4.熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cell, MCFC 5.固體氧化物燃料電池(solid oxide

7、 fuel cell, SOFC。而如此多種類的燃料電池,要講它的基本原理,當(dāng)然還得從氫氧燃料電池講起。氫氧燃料電池供電的過程實際上就是一個電解水的逆過程,通過氫氧的化學(xué)反應(yīng)生成水,同時釋放出所需要的電能。氫氣和氧氣分別作為燃料電池在電化學(xué)過程中的燃料和氧化劑,其基本反應(yīng)過程如下:(1氫氣通過管道或?qū)獍暹_到陽極。(2在陽極催化劑作用下,一個氫分子分解為兩個氫離子,并釋放出兩個電子,陽極反應(yīng)為:(3在電池的另一端,氧氣(或空氣通過管道或?qū)獍宓竭_陰極,同時,氫離子穿過電解質(zhì)到達陰極,電子通過外電路也到達陰極。(4在陰極催化劑的作用下,氧和氫離子與電子發(fā)生反應(yīng)生成水,陰極反應(yīng)為:總的化學(xué)反應(yīng)為:

8、與此同時,電子在外電路的連接下形成電流,通過適當(dāng)?shù)倪B接可以向負(fù)載輸出電能。燃料電池的工作原理與普通的電化學(xué)原電池或充電電池類似,都是通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。但兩者之間還是有本質(zhì)差別的。普通的原電池或充電電池是一個封閉的系統(tǒng),封裝后與外界只存在能量交換而沒有物質(zhì)交換。當(dāng)電池內(nèi)部的化學(xué)物質(zhì)耗盡或反應(yīng)條件發(fā)生變化時,系統(tǒng)就無法繼續(xù)輸出能量。而燃料電池則不同,參加反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì),如氫和氧,是有燃料電池外部的單獨供氣系統(tǒng)供給的,只要保證物質(zhì)供應(yīng)的連續(xù)性,就可以保證能量輸出的連續(xù)性。從這個意義上來講,燃料電池本身是一個開放的發(fā)電裝置,這正是燃料電池與普通電池的最大差別。在上述所提及的燃料電池里面

9、,目前得到應(yīng)用的是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC。相對于其他幾種燃料電池,PEMFC有以下優(yōu)點:功率密度高,工作溫度低,電解液為固態(tài),對二氧化碳不敏感,可以說PEMFC是最有前途的燃料電池之一,這里我們也有必要簡單介紹一下質(zhì)子交換膜燃料電池的工作過程。PEMFC在原理上也是相當(dāng)于水電解的逆裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成,陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所,陰極為氧化劑還原的場所,兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑,質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)。導(dǎo)入的氫氣陽極集流板經(jīng)由陽極氣體擴散層到達陽極催化劑層,在陽極催化劑作用下,氫分子分解為帶正電的氫離子并釋放出帶負(fù)電的電子,完成陽極反應(yīng):氫離子穿過膜到達陰

10、極催化劑層,而電子則由集流板收集,通過外電路到達陰極,電子在外電路形成電流,通過適當(dāng)連接可向負(fù)載輸出電能;在電池的另一端,氧氣通過陰極集流板(雙極板經(jīng)由陰極氣體擴散層到達陰極催化劑層。在陰極催化劑的作用下,氧與透過膜的氫離子及來自外電路的電子發(fā)生反應(yīng)生成水,完成陰極反應(yīng);電極反應(yīng)生成水的大部分由尾氣排出,一小部分在壓力差的作用下通過膜向陽極擴散。陰極和陽極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)為:電池的總反應(yīng)為:上述過程是理想的工作過程,實際上,整個反應(yīng)過程中會有很多中間步驟和中間產(chǎn)物的存在。3.重要意義3.1環(huán)境意義燃料電池汽車是新能源汽車中的一種,也是為了響應(yīng)發(fā)展新能源汽車的號召。燃油汽車在行駛過程中所產(chǎn)生的大

11、量有害氣體大大影響了人類的健康,使油氣資源日益枯竭,也嚴(yán)重影響了地球的生態(tài)圈。而燃料電池車的出現(xiàn)恰恰是解決了這些困擾人類許久的難題,盡管現(xiàn)在各方面技術(shù)還不夠成熟,但它的出現(xiàn)的確讓我們看到了希望與曙光,它讓我們堅信電動汽車是我們的出口與未來,而燃料電池車是電動汽車的未來,燃料電池必將給汽車動力帶來一場革命。3.2優(yōu)越性能燃料電池在工作過程中將外界供給的活性物質(zhì)的化學(xué)能用電化學(xué)方式直接轉(zhuǎn)化為電能,只要外部活性物質(zhì)的供給不間斷,燃料電池就會持續(xù)工作。所以,質(zhì)子交換膜燃料電池汽車的行駛里程比普通電動汽車要長得多。燃料電池汽車的使用性能,如行駛速度、加速能力、一次加注燃料續(xù)駛里程等方面,可以和目前的燃油

12、汽車相媲美。這是燃料電池汽車易于被使用者接收的主要特征。現(xiàn)有瓶頸目前,燃料電池汽車的開發(fā)和示范運行都已經(jīng)證明其技術(shù)的可行性,但要達到實用化還面臨著很多挑戰(zhàn),主要有這么幾個方面。4.1電池壽命首先,燃料電池的壽命有待進一步提高。目前,燃料電池的使用壽命只有2000到3000小時,而要想燃料電池車實用化,必須要讓電池壽命大于5000小時。因此,我們要減緩和消除材料和性能的衰減,增加對燃料與空氣中雜質(zhì)的耐受力,還要提高零度以下儲存和啟動的能力,而這些方面也成為了現(xiàn)在研究的熱點。4.2能量來源其次,氫氣的來源問題以及基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。如何增大氫氣的來源并能配合公共設(shè)施來給我們的電動汽車提供源源不斷的動力

13、是一個巨大的難題,這需要政府的大力支持和推廣。4.3成本太高還有就是燃料電池的成本現(xiàn)在依然居高不下。這不僅會讓制造商舉步維艱,也會讓購買者望而卻步,這里就需要國家對電動汽車產(chǎn)業(yè)的支持,補貼,來帶動這個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)然,開發(fā)人員也要努力積極地研究更好的替代材料以從根本上解決這個問題。發(fā)展與推廣我認(rèn)為推廣和發(fā)展燃料電池的使用,就是促進燃料電池車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這需要各方面的不懈努力和齊心協(xié)力。首先國家和政府需要制定一些具有前瞻性的電動汽車發(fā)展計劃,制定合理、有效的財稅金融扶持政策?，F(xiàn)在燃料電池的成本依然居高不下,所以必須要有政府或者企業(yè)的支持,支持生產(chǎn)投入,也要支持研究方面的投入,盡管現(xiàn)在看來會耗費一

14、些財力,但一旦有所發(fā)現(xiàn)或普遍化規(guī)?；?其產(chǎn)生的效益與回報也是巨大的。同時也要鼓勵企業(yè)合作創(chuàng)新,實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化升級,大力加強基礎(chǔ)配套設(shè)施建設(shè),為燃料電池車的普及打好堅實的基礎(chǔ)。其次企業(yè)或者說研究部門也要加緊研究,自主創(chuàng)新,互相合作。如果能從材料上作出創(chuàng)新,就能從根本上降低電池成本。企業(yè)也要做好市場的調(diào)研與產(chǎn)品的推廣,讓更多人了解燃料電池和電動汽車。最后我們個人方面要積極關(guān)注當(dāng)今燃料電池車的發(fā)展走向和最新動態(tài)。要深刻理解它對我們社會和地球環(huán)境的重要意義,要主動學(xué)習(xí)掌握燃料電池車的原理,走在潮流的前端,并向更多人推廣開來。參考文獻:1 門保全. 電動汽車M. 湖南:湘潭大學(xué)出版社.2 崔勝民. 新能源汽車技術(shù)M. 北京:北京大學(xué)出版社.3 陳全世,仇斌,謝起成. 燃料電池