《新能源汽车电池及管理系统检修》课件-燃料电池

燃料电池可以使用多种燃料，包括氢气、一氧化碳以及比较轻的碳氢化合物，氧化剂通常使用纯氧或空气。

它的基本原理相当于电解反应的可逆反应。燃料及氧化剂在电池的阴极和阳极上借助催化剂的作用，电离成离子，由于离子能通过在两电极中间的电解质在电极间迁移，在阴电极、阳电极间形成电压。Page37燃料电池的分类1）按照工作温度燃料电池可分为：低温型(工作温度低于200℃)中温型(200~750℃)高温型(高于750℃)2)按照燃料的种类。燃料电池也可分为三类。第一类是直接式燃料电池，即燃料直接使用氢气；第二类是间接式燃料电池，其燃料通过某种方法把甲烷、甲醇或其他类化合物转变成氢气或富含氢的混合气后再供给燃料电池；第三类是再生燃料电池，是指把电池生成的水经适当方法分解成氢气和氧气，再重新输送给燃料电池。3)按电解质类型分类，可分为如下几类：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)不同类型的燃料电池特性对比近年来，燃料电池在研究、开发和商品化方面取得了巨大突破，给汽车工业和能源工业的变革带来了新的希望。美国能源部的报告指出，燃料电池技术将成为21世纪汽车工业竞争的焦点。发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究，燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成，在21世纪，燃料电池发电有望成为继火电、水电、核电后的第四代发电技术。我国科技部在“十五”、“十一五”期间持续支持燃料电池汽车的研发和产业化，研制样车的部分技术指标达到或接近国际先进水平。2008年4月底，上海大众领驭燃料电池轿车、福田欧Ⅴ燃料电池城市客车作为国内首款燃料电池轿车和客车产品已进入国家产品公告，并为2008北京奥运会提供了交通服务，如图8-25所示。2010年，上海也应用了燃料电池汽车为世博会服务。Page42三、氢燃料电池的结构原理与应用1、氢燃料电池的概述氢燃料电池属于燃料电池中的一种，它是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，又称电化学发电器。它是继火电、水电、核电之后的第四种发电装置。基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散，和电解质发生反应后，放出的电子通过外部的负载到达阴极。氢燃料电池在工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极分解成正离子离子和电子，氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极，用电负载接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子和抵达正极的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程，这就是氢燃料电池原理，如图所示。三、氢燃料电池的结构原理与应用2、氢燃料电池的工作原理（见视频）氢燃料电池工作原理三、氢燃料电池的结构原理与应用（1）当氢燃料电池的电解液是KOH溶液（碱性电解质）时负极的电极反应式为：H2+2e--+2OH--→2H2O正极的电极反应式为：O2+H2O+4e--→4OH--（2）当氢燃料电池的电解液是H2SO4溶液（酸性电解质）时负极的电极反应式为：H2+2e--→2H+正极的电极反应式为：O2+4H++4e--→2H2O（3）当氢燃料电池的电解液是NaCl溶液（中性电解质）时负极的电极反应式为：H2+2e--→2H+正极的电极反应式为：O2+H2O+4e--→4OH--丰田MIRAI佛山氢燃料公交车佛山氢燃料加注站三、氢燃料电池的结构原理与应用3、氢燃料电池的应用质子交换膜燃料电池系统组成质子交换膜燃料电池的基本单元是单体燃料电池，单体电化学电动势大约1V左右，其电流密度约为每平方厘米百毫安量级，必须通过单体电池的串联和并联形成具有一定功率的电池组，才能满足绝大多数用电负载的需求。此外还必须为系统配置氢燃料储存单元，空气(氧化剂)供给单元，电池组温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元等。电池组（燃料电池堆）气源（储氢和供氢系统）温度调节单元（排热）电压调整和功率变换单元系统控制单元(1)燃料电池组(堆)质子交换膜燃料电池的单体电池，其化学电动势为1.0-1.2V，负载时的输出端电压为0.6-0.8V。为满足负载的额定工作电压，必须将单体电池串联起来构成具有较高电压的电池组。由于受到材料(如质子交换膜等)及工艺水平的限制，目前，单体电池的输出电流密度约在(300-600mA)/cm2。因此，欲提高燃料电池的输出电流能力，只有将若干串联的电池组并联，组成具有较大输出能力的燃料电池堆。(2)燃料及氧化剂的储存与供给单元为使质子交换膜燃料电池实现连续稳定的运行发电，必须配置燃料(H2)及氧化剂(O2或空气)的储存与供给单元，以便不间断的向燃料电池提供电化学反应所需的氢和氧。燃料供给部分由储氢器及减压阀组成；氧化剂供给部分由储氧器、减压阀或空气泵组成。(3)燃料电池湿度与温度调节单元在质子交换膜燃料电池运行过程中，随着负载功率的变化，电池组内部的工况也要相应改变，以保持电池内部电化学反应的正常进行。对质子交换膜燃料电池运行影响最大的两个因素是电池内部的湿度与温度。因此，在电池系统中需要配置燃料电池湿度与温度调节单元，以便使质子交换膜燃料电池在负荷变化时仍工作在最佳工况下。（4）功率变换单元质子交换膜燃料电池所产生的电能为直流电，其输出电压受内阻的影响还随负荷的变化而改变。基于上述原因，为满足大多数负载对交流供电和电压稳定度的要求，在燃料电池系统的输出端需要配置功率变换单元。当负载需要交流供电时，应采用DC/AC变换器；当负载要求直流供电时，也用需要用DC/DC变换器实现燃料电池组输出电能的升压与稳压。(5)系统控制单元由上述四个功能单元的配置和工作要求可知，质子交换膜燃料电池系统是一个涉及电化学、流体力学、热力学、电工学及自动控制等多学科的复杂系统。质子交换膜燃料电池系统在运转过程中，需要调节与控制的物理量和参数非常多，难以手动完成。为使质子交换膜燃料电池系统长时间安全、稳定的发电，必须配置系统控制单元，以实现燃料电池组与各个功能单元的协调工作。燃料电池的应用与发展趋势燃料电池汽车的商业化示范运行在全球范围内蓬勃开展，主要目的在于进行技术检验和提高公众认知程度。最著名的包括美国加利福尼亚燃料电池伙伴计划、欧洲八国十城市洁净交通示范项目、日本的氢能燃料电池示范项目和联合国燃料电池公共汽车示范项目。美国通用汽车：氢动三号2003年的氢动三号0－100km/h加速时间为16秒最高时速为160km/h输出功率达到94kW基于欧宝赛飞利底盘平台美国通用汽车：雪佛兰Equinox氢燃料电池汽车通用汽车在美国、欧洲以及亚洲市场提供了超