氢燃料电池与氢燃料电池汽车――葛铭概要

1、研究生课程（论文类试卷2014/2015学年第1学期课程名称:氢能课程代码:11000109论文题目:氢燃料电池与及其应用学生姓名:葛铭专业、学号:热能102360050学院:能源与动力学院课程（论文成绩:课程（论文评分依据（必填:任课教师签字:日期:年月日课程（论文题目:氢燃料电池及其应用内容:氢燃料电池及其应用Hydrogenfuelcellanditsapplication葛铭（上海理工大学能源与动力学院,上海200093摘要汽车的大量普及造成的化石能源的紧缺及其内燃机带来的环境污染日益严重,新的能源形式亟待开发和应用。氢燃料电池将氢元素的化学能高效地转化成电能,零污染,环境友好,正日益

2、受到人们的关注。丰田在攻克了一系列技术难题以后,氢燃料电池汽车已经正式问世了。成本的降低使得氢燃料电池汽车走入寻常百姓家成为可能。关键词:氢燃料电池新能源汽车ABSTRACTWiththeshortageoffossilfuelscausedbythepopularityofprivatecarsandincreasingenvironmentalpollutioncausedbyinternalcombustionengine.Newformsofenergyareurgenttodevelopandapplicate.Hydrogenfuelcellconvertthechemicalen

3、ergyintoelectricalenergyefficientlyandenvironmentalfriendlywithoutpollution.Ithasaincreasingconcern.Afterovercomingaseriesoftechnicalproblems.Toyotashydrogenfuelcellvehicleshavecometrue.Decreasingincostsmakesitpossibilitytoacceptedbyordinaryfamily.KeyWords:HydrogenfuelcellNewenergyvehicles一、燃料电池简介燃料

4、电池（FuelCell,FC是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效地转化为电能的发电装置。反应过程不涉及到燃烧,其能量转化效率不受“卡诺循环”的限制,能量转化效率高达6080%。实际使用效率是普通内燃机的23倍。燃料电池的燃料多样性、排气干净、噪声小、环境污染低、可靠性高及维修性好。按电化学原理,即原电池（如日常所用的干电池的工作原理,等温地把贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能。对于一个氧化还原反应，如:O+RfP。其中,0代表氧化剂,R代表还原剂,P代表反应产物。原则上可以把上述反应分为两个半反应，若e-代表电子,即有：氢燃料电池工作原理示意图1.1、优点：1、高效：理论热电转

5、化效率85%90%。实际能量转化效率40%60%。若实现热电联供,燃料的总利用率可高达80%以上。2、环境友好:超低或无CO2排放;产物清洁。3、安静、可靠性高：内部无机械传动部件,使用可靠性提高、噪音很低。4、容量可调,使用方便:功率（决定于其尺寸和电容量（决定于燃料箱尺寸均可方便调节。发电量从1w（手机到兆瓦（燃料电池电站。相比电池,可提供更高的能量密度,补充燃料即可重新发电,无需充电过程。1.2、缺点:1、价格和成本是目前燃料电池使用的最大障碍。由于昂贵的价格,燃料电池目前主要在一些特定的使用场合如航天飞行器中才具有成本上的竞争力。2、操作温度的匹配性及稳定性问题、一些燃料电池的潜在的环

6、境毒性、多次启动停机循环使用后燃料电池的寿命问题。3、较低的功率密度,燃烧式发动机和电池在体积功率密度上优于燃料电池,而在质量功率密度上,二者较为接近。不同技术大致的功率密度范围1.3、分类按电解质的种类不同:碱性燃料电池（AFC磷酸燃料电池（PAFC功率密度代表着单位体积（体积功率密度或单位质量（质量功率密度燃料电池的功率。Membraneconductsprotonsfromanodetocathodeprotonexchangemembrane（PEMmembraneconductsprotonsfromanodetocathod2H2+O22H2O+electricalpower+Pr

7、otonExchangeMembrane（PEMMembraneconductsprotonsfromanodetocathodeprotonexchangemembrane（PEM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按燃料类型分:除氢气外、甲烷（或天然气、乙烷、丁烯、丁烷等气体有机燃料,甲醇、甲苯、汽油、柴油等液体有机燃料,气体和液体有机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。按燃料电池工作温度分:低温型，温度低于200C中温型，温度为200750C高温型，温度高于750C1.4、基本的燃料电池操作电流大小与反应物、电极、

8、电解质接触面积的大小有关。来自燃料的能量沿着电流传递，传递过程的限制步骤，必然发生在界面或是反应面。要获得大的反应面积（面积-体积比，通常由平板结构组成。电极为多孔介质进一步提高其反应面积，利于气体的接触。平板结构的一边是燃料（阳极电极，另一侧为氧化剂（阴极电极。一个薄的电解质层，从空间上将燃料和氧化剂电极分开，确保两个半反应的独立进行。1.5、工作过程的主要步骤反应物或燃料传递到燃料电池:高效传质，流道结构;传质、扩散及流体力学;材料的电、热、机械及腐蚀的要求。电化学反应:电流强弱与电化学反应过程快慢;限制步骤;催化剂的使用。通过电解质的离子传递和通过外电路的电子传递:离子的消耗和产生及传递

9、“跳跃”机理，减小传递距离。4.产物从燃料电池的分离:碳氢燃料电池水和CO2;PEMFC水管理。1.6、电池内部的热量管理燃料电池内部热量主要来源于反应气体的预热和电化学反应放热。燃料电池内部热量分布对其性能有重要影响。温度分布不均会影响内部反应速率的不同;局部高温会导致膜失水被损坏;热管理影响内部的水平衡。热管理的主要方法:改进结构和系统设计,如利用反应放热对反应气体预热;外部冷却（空冷、水冷、油冷。1.7、燃料电池的性能对于理想的燃料电池,在某一恒定电压下,只要能获得足够的燃料,则燃料电池可以提供任意大小的电流。实际燃料电池的电压输出往往小于热力学预测电压,而且,实际燃料电池的输出电流越大

10、,其输出电压则越小,其总功率的输出因此受到了限制。对于燃料电池，其总功率输出（P等于其电压和电流的乘积随着燃料电池电压的降低,电功率也随之降低。输出电压可以看作是其效率的一个量度。保持高的工作电压，对燃料电池的实用化至关重要。由于各种不可逆的损失，燃料电池的实际输出电压总是小于其热力学可以输出电压。电流越大，这种损失越大。1.8、各类燃烧电池目前的应用燃料电池是可由多台电池按串联、并联的组合方式向外供电。因此，燃料电池既适用于集中发电，也可用作各种规格的分散电源和可移动电源。氢氧化钾为电解质的碱性燃料电池已成功地应用于载人航天飞行，作为登月飞船和航天飞机的船上主电源，证明了燃料电池高效、高比能

11、量、高可靠性。以磷酸为电解质的磷酸型燃料电池，至今已有近百台作为分散电站在世界各地运行。二、燃料电池热力学热力学是研究能量和能量转换的科学。燃料电池是能量转换装置,所以燃料电池热力学是理解化学能到电能转化的关键2.1、电池电动势与Nernst方程化学反应分成两个半反应，以电化学方式输出的最大可逆电功为:AG二nFE其中,E为电池的电动势、AG为反应的Gibbs自由能变化、F为法拉第常数、n为反应转移的电子数。该方程是电化学的基本方程,它是电化学与热力学联系的桥梁。化学热力学可知,当反应在恒压条件下进行时,随温度变化的关系为:式为电池电动势与温度变化的关系,展开得:TE为温度T下的电池可逆电压,

12、0E为标态下可逆电池电压。SA与温度无关。2.2、实际电池的效率燃料电池的实际效率总是要比可逆热力学效率低。两个主要的原因:电压损耗;燃料利用过程中的损耗燃料利用效率:有些燃料可能参与了副反应而没有产生电功,有些燃料可能从电池中简单地流经而完全没有参与反应。pGSTdJ)=-A1dBpESTnFdJ)=1dJ2.3、法拉第定律与电化过程速度2.3.1、法拉第定律当燃料电池工作，输出电能时，电池燃料（如氢和氧化剂（如氧的消耗与输出电量之间的定量关系服从法拉第定律。式中，m为化学反应物质的消耗量;Q为电量，等于电流强度i和时间t的乘积;ke为比例因子，表示产生单位电量所需的化学物质量，称为电化当量

13、。2.4、电化极化2.4.1、电化极化描述当燃料电池运行并输出电能时，输出电量与燃料和氧化剂的消耗服从法拉第定律。电池的电压也从电流密度i=0时的静态电势Es（它不一定等于电池的电动势，原因后述降为V,其值为电化学反应速度（即电流密度i的函数。其差值:Es-V=n，n称为极化。因此伏-安曲线（i-V图）又称为极化曲线。2.5、电势和速率：Butler-Volmer方程通过牺牲部分热力学有用的电池电压，可以产生一个净电流。而要使得燃料电池中获得电流，其阳极和阴极的伽伐尼电势都必须降低（降低量不一定相等。将伽伐尼电势降低，从而使正向活化能垒降低（anFn），同时提高了逆反应的活化能（1-anFn。

14、这里的a取决于活化能垒的对称性，称为传输系数。它表示反应界面电势的改变如何改变正向和逆向的活化能垒的大小。a的值总是介于01之间，对于“对称”的反应，a=0.5；对于大部分电化学反应，a的取值范围为0.20.5。BV方程也从理论上说明了，要获得更大电流，必须以损失电压为代价。BV方程仅适用于单步电化学反应，或是在多步电化学反应中，速控步骤远远慢于其它步骤。对于其它类型的多步电化学反应需要进行修正。即使是对于多步电化学反应，该方程也被认为是很好的一级近似。2.6、燃料电池催化剂-电极设计通过使交换电流密度最大化可以尽可能地减小活化损失。由于交换电流密度同催化剂材料和总的反应表面积关联，因此催化剂

15、电极设计过程需要着重考虑这两个参数以期得到最优的性能。为了使反应表面积尽可能最大化，我们可以制备多孔、纳米结构的电极来实现气相孔道、导电电极和传导离子的电解质膜之间的密切接触。这样的纳米结构设计目的是使燃料电池中的总反应位点的数量最大化。在燃料电池的文献中，这些反应位点被称为三相区或者三相界面。对于高效的催化剂-电极，主要要求如下：较高的机械强度；较高的电导性；低腐蚀性；高孔隙率；易于制备；高催化活性（高的j0值）。对于质子交换膜燃料电池，铂是目前最为熟知的催化剂。对于高温燃料电池，基于镍或陶瓷的催化剂较为常用。在实际中，大多数催化剂的厚度约1050pm。层较薄有利于更好的气体扩散和催化剂利用

16、，层较厚则可包含更多的催化剂载量，提供了更多的三相区域。因而，催化剂厚度的优化需要兼顾质量传输和催化活性两者。通常，催化剂层是由一层较厚的多孔电极支撑层来加强。在质子交换膜燃料电池中，这个电极支撑层被称为气体扩散层（通常使用碳纸）。气体扩散层可以保护精细的催化剂结构，提供一定的机械强度，允许气体自由地到达催化剂，改善导电性。电极的支撑层厚度通常在100400卩m。与催化剂层相似，较薄的电极支撑通常可以提供较好的气体传输，但是同时可能导致电阻提高或机械强度下降。三、氢燃料电池汽车3.1、分类：燃气汽车：公交，出租车为代表（技术成熟，发展迅速）；混合动力汽车：丰田普锐斯为代表（技术成熟，市场认可度

17、高）；纯电动汽车：特斯拉为代表（价格高，充电时间长，续航里程短，电池寿命有限）；氢燃料电池汽车：丰田Mirai为代表（续航里程长，加注燃料快，无污染）3.2、背景普锐斯刚刚成为首款真正的畅销混合动力车，丰田就希望“未来”（Mirai有朝一日成为首款畅销氢燃料车。12月15日Mirai在日本国内发售，明年下半年美国和欧洲市场可售，续航里程482公里，比绝大多数插电式电动汽车高得多。它以宇宙中最丰富的元素“氢”为燃料，排放的只有热量和水不会造成雾霾或全球变暖。虽然Mirai比普锐斯跑得快，但它不是跑车。Mirai百公里加速为9.6秒，发动起来就像电动汽车，没有那种内燃机工作造成的震动。在东京湾人工

18、岛Odaiba试驾Mirai有一丝超现实的感觉。除了窗外呼啸而过的风声和悬挂系统工作时偶尔发出的闷响，车内就像禅室一样宁静。Mirai还身兼移动发电站的功能：如果发生地震或其它紧急情况，连上后备箱的插座可供一个普通日本家庭一周的用电。丰田汽车于1992年开始氢燃料电池研究，差不多与普锐斯混动汽车的研究同时开始。到2008年，丰田高管敏锐地注意到戴姆勒、本田和现代汽车公司也迅速开展了氢燃料汽车项目，曾力推普锐斯的董事长内山田武遂决定让氢燃料汽车从研发进入量产。然而当时一辆氢燃料电池车的造价接近100万美元。氢燃料受到未来学家里夫金（JeremyRifkin所著畅销书氢经济的推崇，但氢燃料电池开发商无法削减成本，这是21世纪之交这项技术无法大发展的一大原因。从本田汽车的FCX到通用汽车的Sequel，许多汽车制造商已开始开发氢燃料电池车，但生产成本高昂和电池技术进步使它们将发展方向转到了电动汽车。丰田表示Mirai已具备经济可行性，因为公司用不太贵的材料对氢燃料电池堆进行了重新设计，减少了分离氢质子与电子所需催化剂铂的用量，并标准化了生产设备。早先普锐斯的电池技术开发工作也有利于Mirai，首席工程师小木曾聪说：“我们觉得混动汽车能做好凭什么氢电池车不行？”丰田的氢燃料电池车得到日本政府的大力支持，率