汽车发动机原理课件：燃料电池汽车动力装置

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。由于其转换过程不经过燃烧，不受“卡诺循环”的限制，转换效率可高达60％~70％，实际热效率是内燃机的2倍左右。转换效率高是燃料电池的主要特点之一。燃料电池在工作过程中将外界供给的活性物质的化学能用电化学方式直接转换为电能，只要外部活性物质的供给不间断，燃料电池就会持续输出电能。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为燃料电池的一种，被认为是最有前途的汽车驱动电源。它的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生CO和CO2，也没有硫和微粒排出，没有高温反应，也不产生NOx；一、燃料电池的基本原理燃料电池(FuelCell)本质上不是一种电池，而是一种“发电装置”，它通过电化学反应将燃料电池的化学能不经过燃烧直接转换为电能。这种能量转换是通过氧化还原反应来完成的。氢氧燃料电池装置可以说是水电解的一个“逆”装置。氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。燃料电池的基本结构主要由阳极、阴极、电解质和外部电路四部分组成，其阳极为氢电极，阴极为氧电极，两电极间是电解质。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，以加速电极上发生的电化学反应。燃料电池工作时要持续的向电池内供应燃料和氧化剂，使用的燃料和氧化剂均为流体。通常在电动汽车中应用的燃料电池和氧化剂均为气体，常用的燃料为纯氢气或富含氢气的气体，常用的氧化剂为经过净化的空气。燃料(还原剂)在阳极氧化，氧化剂在阴极还原，从而完成上述由两部分的组合而成的化学反应。如图10-9所示，氢气通过管道或导气板到达阳极，在阳极催化剂的作用下发生氧化反应，一个氢分子分解为两个氢离子，并释放出两个点子，阳极的反应为:在电池的另一端，氧气(或空气)通过管道或导气板到达阴极，同时阳极产生的氢离子经电解质迁移至阴极，而电子则通过外部电路(负载)也到达阴极。在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生还原反应生成水，阴极反应为:与此同时，电子在外电路的连接下定向流动形成电流，通过适当处理，可以向负载输出电能。还原反应中产生的水，随气体排出。在燃料电池中，阳极即为电池的负极，阴极即为电池的正极。燃料电池的工作原理和普通的电化学原电池有类似之处，都是通过电化学反应将化学能转换成电能，但两者之间还是有着本质的区别。普通的原电池或充电电池是一个封闭的系统，封装后，它与外界只存在能量交换，不存在物质交换。当电池内部的化学能耗尽或反应条件发生变化时，系统就无法继续输出能量。而燃料电池是一个开放的系统，参与反应的化学物质，如氢和氧，是由燃料电池的外部供气系统供给的，只要保证气体供应的连续性，就可以保证电能输出的连续性。这正是燃料电池与普通电化学原电池的最大区别。二、燃料电池的分类燃料电池的种类很多，根据所使用的电解质类型的不同，可以把目前正在开发的商用燃料电池分为以下五类: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)，具体性能参考表10-2。其中，碱性燃料电池是最早进入实用的燃料电池之一，美国在20世纪60年代就曾将碱性燃料电池用于阿波罗飞船，现在航天飞机和潜艇上也广泛应用碱性燃料电池，它是目前技术最为成熟的燃料电池。磷酸燃料电池是目前使用最多的燃料电池，以天然气和甲醇为燃料的磷酸燃料电池多用于分散的发电站等。熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池的工作温度都较高，而且燃料转换效率较高，余热利用率也高，主要用作电厂。质子交换膜燃料电池以比功率与比能量高、结构紧凑、质量轻、无腐蚀性、可室温快速起动、不受二氧化碳的影响、可按负载要求快速改变输出功率等优点，成为电动汽车选择较多的燃料电池。质子交换膜燃料电池最大的优势是工作温度较低，其最佳工作温度是80~90℃，但在室温下也可以正常工作，所以特别适合用作交通车辆的移动电源。下面将对质子交换膜燃料电池作详细的介绍。三、质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池单体主要由膜电极(阳极和阴极、质子交换膜)和集流板组成。如图10-10所示，PEMFC工作时，经加湿的H2和O2分别进入阳极室和阴极室，经电极扩散层到达催化层和质子交换膜的界面，分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应。阳极反应生成的质子(H+)通过质子交换膜传导到达阴极，阳极反应产生的电子通过外电路到达阴极。产生的水以及水蒸气或冷凝水的形式随过剩的阴极反应气体从阴极室排出。1.质子交换膜质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件，它与一般化学电源中使用的隔膜不同，是一种厚度为50

~180μm的薄膜片。PEM不仅仅是一种隔膜材料，它还是电解质和电极活性物质(催化剂)的基底；另外，PEM还是一种选择透过性膜，而通常的隔膜则属于多孔薄膜。PEM通过其复杂的微观结构，在一定的温度和湿度条件下，具有选择透过性，即只允许H+离子(质子)透过，不允许H2分子和其他离子透过。对于PEM的微观结构，一种大家比较容易接受的理论为“离子簇网络模型”。质子交换膜主要由高分子母体、离子簇和离子簇间形成的网络结构组成。离子簇之间的间距一般是5nm左右，各离子簇间形成的网络结构是离子和水分子迁移的唯一通道。由于离子簇间的通道窄而短，因而对带负电的OH-离子的迁移阻力远大于H+离子。所以，H+离子容易透过PEM到另外一侧，而OH-离子和其他离子和分子被隔在PEM的这一侧，这样就形成了带正电的H+离子和带负电的OH-离子分处PEM两侧，形成PEMFC的正负两极。用作PEM的材料，应当满足以下条件:(1)良好的离子导电性，可以降低电池内阻并提高电流密度。(2)材料的分子量充分大，即材料的互聚和交联程度高，以减弱高聚物的水解作用。(3)水分子在膜中的电渗作用小，H+在其间的迁移速度高，防止膜中的浓度梯度过大。(4)水分子在平行离子交换膜表面的方向上有足够大的扩散速度，避免电池局部缺液。(5)气体(尤其是氢气和氧气)在膜中的渗透性尽可能小，以免氢气和氧气在电极表面发生反应，造成电极局部过热，影响电池的电流效率。(6)膜的水合/脱水可逆性好，不易膨胀，否则电极的变形将引起质子交换膜局部应力增大和变形。(7)膜应对氧化、还原和水解具有稳定性，能够阻止聚合链在活性物质氧化/还原和酸性作用下降解。(8)足够高的机械强度和结构强度，可以将质子交换膜在张力下的变形减至最小。(9)膜的表面性质适合于与催化剂结合。由于膜的结构、工艺和生产批量问题，PEM的成本到目前为止还是非常的高，它占到PEMFC成本的20％~30％，随着技术的进步和工艺的发展，PEM的成本正在大幅下降，使人们看到了商业化的希望。2.催化剂催化剂是PEMFC的另一项核心技术。PEMFC的阳极反应为氢的氧化反应，阴极为氧的还原反应。为了加快电化学反应的速度，气体扩散电极上都含有一定量的催化剂。电极催化剂包括阴极催化剂和阳极催化剂两类。阴极催化剂和阳极催化剂总的选用原则是，要有足够的催化活性和稳定性。但阳极催化剂，应具有足够的抗CO中毒能力。因为PEMFC对燃料气中的CO非常敏感。对于直接使用甲醇(DMFC)或其他烃类燃料重整的PEMFC系统，在阳极参与反应的燃料不可避免的含有CO，其阳极催化剂尤其要注意有足够的抗CO中毒的能力。目前，PEMFC主要采用铂作为PEMFC的催化剂，它对于两个电极反应均具有催化活性，而且可长期工作。由于铂的价格昂贵，资源匮乏，使得PEMFC成本居高不下，限制了其大规模应用。PEMFC催化剂研究的两个主要方向是:(1)提高铂的利用率，降低其用量。(2)寻找新的价格较低的非贵重金属催化剂。另外，除了催化剂本身的性质对电极反应起决定性的作用外，其他一些因素如电池工作温度、电极制作工艺、催化剂制备方法和催化剂载体的选择等对催化剂的催化效果也有很大的影响。3.膜电极和集流板1)膜电极膜电极(MEA)为PEMFC的心脏，它由质子交换膜和其两侧的多孔气体扩散电极(阳极和阴极)复合而成。其结构示意图如图10-11所示。膜电极主要由五部分组成，即阳极扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层和阴极扩散层。在PEMFC工作过程中，增湿后的氢气[H2

(H2O)n]穿过阳极扩散层，到达阳极催化剂层，并吸附于催化剂层中，然后，在阳极铂催化剂作用下解离为Ｈ＋离子(质子)和带负电的电子，氢离子以水合质子[H+(H2O)n]的形式，在质子交换膜中从一个磺酸基(-SO3H)转移到另一个磺酸基，最后到达阴极，实现质子导电。与此同时，阴极增湿的氧气也穿过阴极扩散层，到达阴极催化剂层，吸附于阴极催化剂层中，氧分子(O2

)与催化剂激发产生的电子发生反应，变成氧离子，使得阴极变成带正电的端子(正极)，其结果就是在阳极的带负电终端和阴极的带正电终端之间产生了一个电压。如果此时通过外部电路将两极相连，电子就会通过回路从阳极流向阴极，从而产生电能。同时，氢离子与氧离子发生反应生成水。MEA是影响PEMFC性能、能量密度分布和工作寿命的关键因素。而组成MEA的电极材料、电极的制备工艺和方法等则决定了其基本性能。同时，电池工作过程中环境条件的选择与控制，对发挥MEA中电催化剂和质子交换膜的功能及气体分子扩散、质子传递速度都有较大的影响。MEA的性能除了决定于制备工艺外，还受以下电极参数的影响:①电极结构；②碳载体类型；③导电网类型；④聚四氟乙烯(PTFE)含量；⑤全氟磺酸(Nafion)含量；⑥极板类型。2)集流板集流板放置在膜电极的两侧，有阳性集流板和隐性集流板，所以又称双极性集流板，简称双极板和集流板。集流板的主要作用除了导电外，还包括导流燃料、氧气以及冷却水。集流板主要有石磨集流板、金属集流板和复合型集流板等几种形式。集流板面向电极表面的一侧表面刻有用于燃料和氧气(空气)流动的沟槽，中间则是导流冷却水的沟槽。集流板的设计主要是考虑导电性能、密封、气体分布和水、热的排出等。目前用来制作集流板的主要材料有石磨、表面改性的金属、炭黑—聚合物合成材料等，其制作工艺已经比较成熟。现在对于汽车用PEMFC主要采用碳或碳的合成材料，成本相对来说较低。4.质子交换膜燃料电池的工作特性燃料电池的效率在理论上可以达到83％，在实际中由于受到电池内阻和电极工作时极化现象等的影响，效率为50％~70％。质子交换膜燃料电池对工作环境的要求比较苛刻，必须把其工作条件严格控制在一个合理的范围之内，才能使其发挥最佳的工作特性。因为PEMFC的燃料(H2)和氧化剂(O2或空气)均为气体，要想获得更高的功率密度，PEMFC必须在更高的压力下工作。通常来说，压力越高，PEMFC的性能约好。另外，为了减少燃料(H2)和氧化剂(O2或空气)通过质子交换膜相互扩散，要尽量减少两侧气体的压力差。PEMFC在工作时，随着温度的升高，电池内阻减小，在相同电流密度条件下，工作电压随之增大，即燃料电池的功率增大。温度的升高，还可以加快反应气体向催化剂层的扩散，加速质子从阳极向阴极的运动以及生成物水的排出，这些都会对电池性能的提高起到积极的作用。但是，为保证质子交换膜具有良好的质子传导性能，必须保持其具有适当的湿润条件，因此，反映生成的水应尽量为液态。受此限制，PEMFC在常压下工作温度不能超过80℃，在0.4~0.5MPa下不能超过102℃。燃料气体中CO的含量对燃料电池性能的影响非常大，CO2的含量也同样有很大影响，这主要是因为阳极催化剂上吸附的H2与CO2相互作用生成了CO。氧化剂用空气替代O2同样会造成燃料电池性能的大幅下降。PEMFC中水管理系统和热管理系统非常重要，随着进入燃料电池的气体增湿程度、工作温度、气室压力、气体流速和电流密度的变化要随时调整水、热的管理。以保证燃料电池处于最佳性能状态。图10-12所示为某1kWPEMFC电堆以H2作为燃料，空气作氧化剂，工作压力为0.3MPa/0.3MPa，ϕ燃料/ϕ氧化剂为70％/20％条件下的电压、电流及功率特性。从图中可以看出，随着电流增大(即电流密度增大)，工作电压下降，但功率增大。电流增至100A(电流密度500mA/cm2)时，达到设计的最高功率1.2kW(0.3W/cm2)。由于燃料电池的效率主要与工作电压有关，在燃料电池工作电压高时，能力效率高，但功率低。对燃料电池电动汽车用的PEMFC，要求高功率密度和低成本，这只有在大电流密度的情况下才能实现。四、燃料电池汽车动力装置燃料电池电动汽车的动力装置按驱动形式可分为纯燃料电池驱动和燃料电池与蓄电池混合驱动两种；按照能量来源可分为车载纯氢和燃料重整两种。纯燃料电池驱动系统只有燃料电池一个动力源，汽车的所有负荷都由燃料电池承担，要求燃料电池功率大，对燃料电池的动态特性和工作可靠性提出了很高的要求，并且成本高和不能进行制动能量回收。所以，现在比较可行的方案是燃料电池加蓄电池或超级电容的方案。该方案在车辆起动时，蓄电池可以向空气压缩机、加热器、加湿器等需要供电的设施供电，蓄电池可以回收制动能量。在车辆加速、爬坡和最高车速等大功率需求时，燃料电池与蓄电池共同工作，可以降低燃料电池的设计功率，对燃料电池的动态特性和可靠性要求也有所降低。1.燃料电池汽车动力装置的基本结构燃料电池与蓄电池混合驱动型动力系统主要由整车控制器、燃料电池、燃料电池控制器、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、电动机/发电机、电机控制器、蓄电池、电池管理系统等组成。如图10-13所示。系统中采用的电动机可以是直流电动机，也可以是变频交流电动机。对于DC/DC转换器、电动机、蓄电池等的介绍可以参考纯电动汽车动力装置一节，这里不再赘述。该系统的整车控制器按照驾驶员的操作指令，确定动力系统应提供的动力大小或回收的制动能量。燃料电池组发出的电力经DC/AC逆变器后进入电动机驱动汽车行驶(交流电动机)，或经DC/DC变换器后进入电动机(直流电动机)驱动汽车行驶，或者向蓄电池充电，当汽车行驶所需要的动力超过电池的发电能力时，蓄电池也参加工作，其电流经DC/DC变换器、DC/AC逆变器后进入电动机驱动汽车行驶(对于直流电动机不需DC/AC逆变器)。2.燃料电池系统燃料电池电堆只有与燃料供给与循环系统、氧化剂供给与循环系统、水/热管理系统和控制系统有机结合成燃料电池系统(fuelcellsystem)才能对外输出功率。该系统由一套包括传感器、阀、泵、调节控制装置、管路、控制单元等组成的控制系统协调运作。图10-14是一个典型的PEMFC系统示意图。由图可知，燃料供给与循环系统和氧化剂供给与循环系统主要是向PEMFC提供燃料和氧化剂，同时循环回收未反应完全的气体；水/热管理系统主要用来保证电池内部的水平衡和热平衡状态；控制系统则根据负载对电池功率的要求，或随电池工作条件(压力、温度、电压等)的变化，对反应气体的流量、压力、水/热循环系统的水流速等进行控制，保证电池正常有效地运行。在PEMFC系统中，如果以纯氢为燃料，则该系统由氢源、稳压阀和循环回路组成，其中氢源可采用压缩氢、液氢或金属氢化物储氢；稳压阀控制燃料气的压力；循环回路用以循环利用过量的燃料气，燃料气的过量一方面是为了保证电化学反应的充分进行，另一方面也可以部分起到保持水平衡的作用，通常是采用一个循环泵或喷射泵将这部分氢送回到电池燃料气的入口处，在这种情况下，可认为由氢源系统所提供的氢100％被用来发电。PEMFC的氧化剂可选用纯氧，其系统组成和控制与纯氢作燃料气相类似。然而，从实用化和商业化的角度来考虑，PEMFC均采用空气作氧化剂，其中对应于不同的应用需要，空气可以是常压的，也可以是压缩的。通常，采用常压