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1、新能源汽车概论,第四章 燃料电池汽车,二次电池,冷却装置,燃料电池,储氢装置,驱动装置,4.1 燃料电池4.2 燃料电池系统4.3 燃料电池汽车的类型及应用,本章主要内容,燃料电池概念：燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种化学电池，它直接把物质发生化学反应时释放出的能量变换为电能，工作时需要连续地向其供给燃料和氧化剂。它是把燃料通过化学反应释放出能量变为电能输出的，因此被称为燃料电池。,4.1 燃料电池,4.1.1 燃料电池的种类根据电池电解液类型不同，可分为五类：（1）质子交换膜燃料电池（Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC）,4.1 燃料电池
2、,其原理相当于水电解的“逆”装置。阳极阴极的电化学反应为：2H24H+4e-4e-+4H+O22H2O总电化学反应为：2H2+O22H2O,质子交换膜的工作原理,4.1 燃料电池,阳极和阴极发生的电化学反应为：H2+2OH-2H+2e-O2+4H+4e-2H2O总电化学反应为：2H2+O22H2O,碱性石棉膜型氢氧燃料电池的工作原理,（2）碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell,AFC）,该燃料电池以强碱（KOH、NaOH）为电解质，氢气为燃料，纯氧或脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂，采用Pt/C、Ag等为电催化剂制备的多孔气体扩散电极为氧电极，Pt-Pd/C、Pt/C、Ni制备的多
3、孔气体电极为氢电极。,4.1 燃料电池,阳极和阴极发生的电化学反应为：H22H2O+2e-O2+2H2O+4e-4OH-总电化学反应为：2H2+O22H2O,磷酸燃料电池的工作原理,（3）磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）,磷酸燃料电池是以磷酸为导电电解质的酸性燃料电池。磷酸燃料电池使用液化磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。当以氢气为燃料、氧气为氧化剂时，在电池内发生电化学反应。,4.1 燃料电池,阳极和阴极发生的电化学反应为：H2+CO32-H2O+CO2+2e-O2+2CO2+4e-2CO32-总电化学反应为：O2+2CO2+2H22CO2+2H
4、2O,熔融碳酸盐燃料电池工作原理,（4）熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）,熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。单体的熔融碳酸盐燃料电池一般是平板型的，由电极-电解质、燃料流通道、氧化剂流通道和上下隔板组成。,4.1 燃料电池,（5）固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）,固体氧化物燃料电池的基本组成,固体电解质是固体氧化物燃料电池最核心的部件，它的主要功能在于传导氧离子，它的性能（如电导率、稳定性、热膨胀系数、致密化温度等）不但直接影响电池的工作温度
5、及转换系数，还决定了与之相匹配的电极材料及其制备技术。,4.1 燃料电池,阴极发生的电化学反应为：O2+4e-2O2-阳极材料首选价格最低的NI/YSZ陶瓷合金。,固体氧化物燃料电池工作原理示意图,（5）固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）,4.1 燃料电池,4.1.2 燃料电池的特性,当由燃料电池提取电流时，因电极和电解液中存在欧姆电阻而产生电压降，它正比于电流密度，即式中，Re为按面积所得的等值欧姆电阻；i 为电流密度。,在燃料电池中，由于需要附加能量去克服活性势垒，故部分产生的能量损失存在于促成物质反应的过程之中。这些损耗称为活性损耗，并由活性电压降
6、Va予以表达。Tafel 关系式是应用于这一特性的最一般的数学描述，由此可得活性电压降为 也可写为式中，其中 i0 为平衡态条件下的交变电流；b 为取决于过程的常数。,4.1 燃料电池,4.1.2 燃料电池的特性,当电流流通时，离子在邻近负极处放电，因此，在该区域中，离子浓度趋于减小。因离子缺少所导致的电压降称为浓度电压降，因为它与紧邻电极处的电解液浓度的降低相关联。对应于较低的电流密度，浓度电压降通常较小。在电极处离子被迁移（燃料电池中的阴极）条件下，由离子浓度所引起的电压降可表达为而在电极处离子被生成（燃料电池中的阳极）条件下，则为式中，iL为极限的电流密度。,4.1 燃料电池,4.1.2
7、 燃料电池的特性,因离子浓度所导致的电压降不仅限于电解液，当反应物或生成物是气态物时，在反应区中，局部压力的变化也表征了离子浓度的变化。例如，在氢氧燃料电池中，氧可以从空气中引入，当反应发生时，氧被迁移接近电极微孔中的电极表面，而在那里与在整体空气情况中相比，氧的局部压力必然下降。由局部压力变化所必然导致的电压降为式中，Ps 为表面处的局部压力；Po为所用多孔材料中的局部压力。,4.1 燃料电池,4.1.2 燃料电池的特性,如图为氢氧燃料电池在温度为 T=80条件下，其单元电压与电流密度的关系曲线。由图可见，由化学反应（包含活性和浓度变化）引起的压降是产生电压降的原因。,氢氧燃料电池的单元电压
8、与电流密度的关系曲线,燃料电池中的能量损耗可通过电压降予以表达，因此，燃料电池的效率可表示为式中，V0r为在标准条件下单元电池的可逆电压。,4.1 燃料电池,4.1.2 燃料电池的特性,氢氧燃料电池的效率-电流密度曲线如图所示，随着电流增加，效率下降而功率增加。因此，在低电流下运用燃料电池，即在低功率下可获得高运行效率。,氢氧燃料电池中的运行效率随着电流密度的变化,4.1 燃料电池,4.1.2 燃料电池的特性,氢-空气燃料电池系统,辅助设备主要包括空气循环泵、冷却水循环泵、排气扇、燃料供应泵和电控设备。在辅助设备中，空气循环泵的能量消耗最大，其消耗功率（含驱动电机）约占燃料电池堆总输出功率的1
9、0%，其他较小,4.1 燃料电池,4.1.2 燃料电池的特性,该图表明了该燃料电池系统的最佳运行区域在其电流范围的中间区域，估计在最大电流的 7%50%范围内。大电流将导致低效率，是因为在燃料电池堆中产生了较大的电压降；另一方面，很小的电流导致低效率，则是因为辅助设备所消耗能量的百分比的增大。,氢-空气燃料电池的单元电压、系统效率和净功率密度随净电流密度变化的曲线,4.2 燃料电池系统,4.2.1.燃料电池堆,单体电池壳体及膜电极集合体,膜电极集合体,（1）膜电极组件,阴极扩散层,阴极催化剂层,质子交换膜,阳极催化剂层,阳极扩散层,4.2 燃料电池系统,4.2.1.燃料电池堆,（2）电极催化剂
10、,电催化剂的功能是加速电极与电解质界面上的电化学反应或降低反应的活化能，使反应更容易进行。在质子交换膜燃料电池中，催化剂的主要功能是促进氢气的氧化和氧气的还原。催化剂必须具备以下几个条件：,高电催化活性,催化剂要对氢气氧化反应和氧气还原反应都具有较高的催化活性，而且还要对反应过程中存在的副反应具有较好的抑制作用,高电催化稳定性,催化剂的稳定性取决于其化学稳定性和抗中毒能力。化学稳定性好是指催化剂在电解质溶液中不腐蚀。,大的比表面积,有适当的载体,有好的导电性,因为氢或氧在催化剂上反应后的电子要通过催化剂传导，因此，催化剂必须具有较高的电导率。,用适当的载体就能够达到这样的效果。常用的载体有活性
11、炭、炭黑等，它们的比表面积大、导电性好。,电催化活性一般与催化剂的比表面积有关。一般来说，比表面积大，电催化活性也高。,4.2 燃料电池系统,4.2.1.燃料电池堆,（3）质子交换膜,它是一种绝缘体，作为隔膜，把阴、阳两极分开，防止电池短路，也防止氢气与氧气直接接触。,它是一种质子导体，它能把氢在阳极氧化生成的H+输送至阴极，提供阴极反应所需要的H+，并使电池形成电回路。,质子交换膜功能,质子交换膜最主要的性能是要有好的质子导电性。,Nafion膜的性能,Nafion膜有很好的质子导电性，一个H+的迁移一般要伴随0.6个水分子的迁移。这种膜在缺水的情况下，H+的传导性将显著下降，所以保持膜的适
12、度湿润性非常重要。,干的 Nafion 膜有很好的机械强度，但当其含水量增加时，机械强度会降低，因此必须控制质子交换膜燃料电池的水含量。,Nafion 膜的另一个优点是有好的化学稳定性。,Nafion膜存在的问题,1.价格昂贵,2.膜内水量难控制,3.膜湿度要求较高,4.操作温度,5.在0一下膜内结构被破坏,4.2 燃料电池系统,4.2.1 燃料电池堆,（3）质子交换膜,4.2 燃料电池系统,4.2.1.燃料电池堆,（4）双极板和流场,双极板的功能,分隔反应气体并通过流场将反应气体导入燃料电池，收集并传导电流和支撑膜电极,同时还承担整个燃料电池系统的散热和排水功能,双极板又称集流板、隔板，是电
13、池的核心部件之一。质子交换膜燃料电池的气室主要是由双极板构成的。每个双极板的两面形成两个气室：一面是氢气室；另一面是氧气室。双极板的中间是冷却管道。,4.2 燃料电池系统,4.2.1.燃料电池堆,（4）双极板和流场,4.2 燃料电池系统,4.2.1.燃料电池堆,（4）双极板和流场,流场功能：引导反应气体的流动方向，确保反应气体均匀分配到电极各处。合理流场结构可以使电极各处都能获得充足的反应物。及时把电池生成的水排出，保证电池具有较好的性能和稳定性。,双极板结构示意图,4.2 燃料电池系统,4.2.1.燃料电池堆,（4）双极板和流场,流场种类：点状流场、网状流场、多通道流场、蛇形流场、交错型流场
14、、交指流场、螺旋流场、平行流场、平行蛇形流场和平行沟槽流场等。,蛇形流场,平行流场,平行蛇形流场,4.2 燃料电池系统,4.2.2.氢供给系统,在通常状况下，氢是无色、无味、无嗅的气体，极难溶解于水。与其他气体能量载体不同的是，氢气难以液化，导致大规模的储氢非常困难，这已经成为氢能利用走向规模化的瓶颈。为了更大规模、更安全地储氢，人们进行了如下多种氢气存储方法的研究。,压缩气体形式储氢,通过压缩方式储存氢，对环境污染很小，使用比较安全。,液态储氢,在 22K 左右的温度下以液态形式储存氢，是目前唯一使用最广泛的大规模储氢方式。,可逆金属氢化物储氢,碳纳米纤维储氢,各国学者对碳纳米材料的储氢研究
15、刚刚开始，研究成果也各不相同。但，纳米纤维储氢已经显示出了显著的优越性，有望成为未来储氢的有效方法。,金属氢化物在较低的压力下具有较高的储氢能力。金属氢化物储氢虽然具有较高的容积效率且使用安全，但质量效率较低。,4.2 燃料电池系统,4.2.2.氢供给系统,用氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池系统设备相对简单，起动快、性能稳定，对负荷变化的响应快，相对成本较低。因此采用质子交换膜燃料电池的燃料电池汽车受到了高度的重视。,典型的车载供氢系统模型,4.2 燃料电池系统,4.2.2.氢供给系统,过滤器的作用是给储氢罐提供高纯度氢气，具有单向截止的功能。高压气体通过减压后向燃料电池发动机提供稳定的氢气供
16、应。流量电磁控制阀门开度大小的控制信号由过流保护装置发出。,储氢罐口过流保护装置的设计构想,4.2 燃料电池系统,4.2.3.热管理系统,热管理的必要性：为了保持电池的恒温运行，并避免电池堆在高电流密度工作时造成局部过热，必须要进行热管理。,热管理对电池温度的控制,温度较低时，电池存在较为明显的活化极化，而且质子交换膜的阻抗也较大。,另一方面，如温度较高，使水蒸发速度加快，会使反应气体带走过量的水而使质子交换膜脱水，使膜的性能变差，引起电池性能下降。,冷却装置：将电池运行时产生的热量及时排出，使质子交换膜燃料电池在恒温下工作，以保持稳定的性能。,冷却方式,冷却水循环方式，这种方式比较方便，但要
17、消耗较多的动力。,利用液体的蒸发来控制温度，被称为利用液体的潜热。,4.2 燃料电池系统,4.2.4.水管理系统,（1）水管理的原因 电池中的水是由两个方面产生的：一方面是增湿带入一部分水；另一方面是反应生成的水。水在质子交换膜燃料电池中是以气态和液态存在的。质子交换膜燃料电池中使用的 Nafion膜的H+扩散一定需要水的伴随，Nafion 膜的H+电导率与膜内含水量成一定的比例关系，如膜内没有水分，Nafion 膜就不能传导H+，因此，没有水电池就不能工作。,另外，氧在阴极上还原生成水，如不把生成的水排出，电池内含水过多后，会淹没电极，阻塞电极或气体扩散层的孔洞，使氢气和氧气都不能扩散到电极
18、上，电池也不能正常工作。因此，质子交换膜燃料电池正常工作的一个重要条件就是要控制好电池内的水分，湿度要适宜。而且，电池内的水含量要均匀，局部的水分过多或过少，也会影响电池的性能.,4.2 燃料电池系统,4.2.4.水管理系统,（2）水管理方式,增湿方式,外增湿方式,内增湿方式,鼓泡法。这种方法一般适用于实验室使用，而不适用于实际的电池系统。,喷射法。这种方法需要加压泵和阀门等，这些设备要消耗能量，但该技术比较成熟，一般在大型质子交换膜燃料电池堆上广泛使用。,自吸法。该法是在电极的扩散层中加入灯芯，这些灯芯浸在水中，将水直接吸入 Nafion膜内。这种方法可实现膜湿度的自我调节，缺点是灯芯的使用
19、增加了电池的密封难度，因此现在较少使用。,较好的一种内增湿方式是让空气和氢气呈逆向流动排列，各干燥的反应气体在进入电池后从膜中吸收水分，而膜要从电池的潮湿反应气体中吸收水分，在电池组内部形成水循环，从而使安全操作成为可能。,4.2 燃料电池系统,4.2.5.氢安全系统,通常采用两种措施：一是储氢装置和输送管路选用不易造成泄漏的材料和结构；二是实时监测燃料电池系统中氢的泄漏情况。,（1）燃料电池系统的安全保护措施,、氢气源切断保护装置当汽车发生碰撞事故时，保护装置会根据碰撞传感器所发出的信号及时切断电源和气源，以避免因氢气泄漏而造成更为严重的事故。,、用吸能车架保护燃料电池系统一些燃料电池汽车车
20、身、车架采取了特殊的结构措施，以保护燃料电池系统在汽车发生碰撞时不易受损。,、储氢瓶的安全措施储氢瓶压力高达 2535MPa，当汽车发生碰撞时，如果高压储氢瓶受损破裂，则后果将不堪设想。为此，除了选用高强度的储氢瓶外，在汽车结构上还要考虑尽可能减小汽车碰撞时对储氢瓶的冲击。,4.2 燃料电池系统,4.2.5.氢安全系统,（2）燃料电池汽车氢气监测系统,燃料电池汽车氢气监测系统工作原理：氢传感器将周围氢气含量参数转换为电信号，并输送给控制器，然后控制器根据氢传感器的信号判断是否有氢气泄漏及泄漏的严重程度，并输出相应的控制信号，使危险报警装置发出危险警报，或使用安全处理装置进行控制（切断高压电路或
21、关闭氢气源），及时排除安全隐患。,燃料电池汽车氢气监测系统,4.2 燃料电池系统,4.2.5.氢安全系统,（3）燃料电池汽车的其他安全措施,、燃料电池汽车的防静电措施一些燃料电池汽车的车体底部通常设有接地导线，可及时将静电释放回大地，以确保燃料电池汽车的安全。,、燃料电池汽车的防爆措施采用防爆型氢传感器，不用触点式传感器；当燃料电池汽车储氢瓶内存有氢气时，严禁在车上进行电焊等会产生电弧的相关操作。,、燃料电池汽车氢安全操作规程严禁在车库内进行大规模的加氢操作；在燃料电池汽车起动前，应检查燃料电池系统管路的气密性，确保无泄漏；在调试及燃料电池汽车起动前，应用氮气吹扫管路，并且在调试时必须由专人配
22、备便携式氢含量探测仪来检查氢泄漏情况。,4.3 燃料电池汽车的类型及应用,燃料电池汽车的驱动模式，按照能源组合方式不同，可分为纯燃料电（PFC）驱动和混合驱动两种形式。混合驱动包括燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）、燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）及燃料电池与蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）。,4.3.1 PFC型燃料电池汽车,纯燃料电池电动汽车的动力系统如图 4-22 所示，DC-DC变换器的作用是阻抗匹配，以解决燃料电池发动机输出特性偏软的问题。,图 4-22 纯燃料电池电动汽车的动力系统,4.3 燃料电池汽车的类型及应用,4.3.1 PFC型燃料电池汽车,优点：系统结
23、构简单，便于实现系统控制和整体布置。系统部件少，有利于整车的轻量化。较少的部件使得整体的能量传递效率高，从而提高整车的经济性。,问题：由于燃料电池的功率很大，导致燃料电池制造成本上升及整车质量增加，引起整车消耗的功率增加。燃料电池系统效率较高，但燃料电池系统的氢气消耗量会增加，增加整车单位里程消耗的燃料，增加运营成本。当汽车功率需求较大时，燃料电池易发生过载，难以满足动态响应要求，系统寿命较短。系统无法实现再生制动。,一般情况下不采用单独燃料电池驱动的方式。目前的燃料电池汽车主要采用的是混合驱动形式。,4.3 燃料电池汽车的类型及应用,4.3.2 FC+B型燃料电池汽车,FC+B（燃料电池辅助
24、动力电池）型联合驱动的燃料电池电动汽车，在该动力系统结构中，燃料电池和蓄电池一起为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化成机械能传给传动系统，从而驱动汽车前进。在汽车制动时，驱动电机变成发电机，动力电池将储存回馈的能量。动力电池还可以单独以纯电动的模式驱动车辆，可以实现在燃料电池出现故障时的跛行返回。,燃料电池+辅助蓄电池形式动力系统结构,4.3 燃料电池汽车的类型及应用,4.3.2 FC+B型燃料电池汽车,该燃料电池系统主要有以下优点：,由于增加了价格相对低廉得多的动力电池组，从而大大地降低了整车成本，且动力电池技术比较成熟，可以在一定程度上弥补燃料电池技术上的不足。,燃料电池单独或与动力电池
25、共同提供持续功率，而且在车辆起动、爬坡和加速等有峰值功率需求时，动力电池可以单独输出能量或者提供峰值功率。,制动能量回馈的采用可以回收汽车制动时的部分动能，该措施可能会提高整车的能量效率。,系统对燃料电池的动态响应性能要求较低。,4.3 燃料电池汽车的类型及应用,4.3.2 FC+B型燃料电池汽车,该燃料电池系统主要有以下缺点：,动力电池充放电过程会有能量损耗。,系统变得复杂，系统控制和整体布置难度增加。,动力电池的使用使得整车的质量增加，动力性和经济性受到影响，这点在能量复合型混合动力汽车上表现得更为明显。,4.3 燃料电池汽车的类型及应用,4.3.2 FC+B型燃料电池汽车,奔驰 B 级
26、F-Cell 车的透视图,奔驰 B 级燃料电池车技术参数,4.3 燃料电池汽车的类型及应用,4.3.3 FC+C型燃料电池汽车,优点：超级电容作为辅助动力源，相对于动力电池，它具有优良的功率特性，能以高放电率释放电能。在回收制动能量方面比蓄电池有优势，充电时间更短，而且循环寿命达到百万次，可以降低使用成本。,不足：超级电容存储的能量有限，只可以提供持续大约 1min 的峰值功率，其电压波动幅度很大,结构特点,燃料电池+辅助超级电容形式动力系统结构,4.3 燃料电池汽车的类型及应用,4.3.3 FC+C型燃料电池汽车,采用 FC+C动力系统的燃料电池汽车广泛地应用在本田FCX系列的车型上,本田
27、FCX 的透视图,4.3 燃料电池汽车的类型及应用,4.3.3 FC+C型燃料电池汽车,本田各代燃料电池汽车的参数,4.3 燃料电池汽车的类型及应用,4.3.4 FC+B+C型燃料电池汽车,动力电池,超级电容,提供驱动电机能量,驱动电机将电能转化成机械能传给传动系统,驱动时,回馈能量,制动时,燃料电池,在制动时驱动电机变发电机,4.3 燃料电池汽车的类型及应用,该这种结构的优点相比燃料电池动力电池的结构形式的优点更加明显，尤其是在部件效率、动态特性、制动能量回馈等方面更有优势。,系统更加复杂化，系统控制和整体布置的难度也随之增大。,而其缺点也一样更加明显：,增加了超级电容，整个系统的质量将可能增加。,4.3.4 FC+B+C型燃料电池汽车,
