新能源 第九章ok

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1、本章要求:1.了解燃料电池的简单发电原理；2.知道燃料电池的分类；3.熟悉PEMFC燃料电池结构4.了解燃料电池发动机；第九章氢燃料电池汽车燃料电池按电化学原理将化学能转化成电能。质子交换膜燃料电池工作原理如图所示,原子交换膜燃料电池(ＰＥＭＦＣ)的核心是一涂有铂催化剂的弹性塑料膜,铂催化剂把氢气转化为质子和电子,只有质子可以通过电解质膜,与膜另一侧的氧结合生成水,而电子在闭合的外电路中形成电流。燃料电池的简单发电原理二、PEMFC特点燃料电池种类繁多；其性质和温度范围随所用的电解质的性质而异；对于汽车用燃料电池，质子交换膜燃料电池(PEMFC

2、)最为适合。(１)PEMFC的能量密度大，比能量可达到200(Wh)/kg左右。(２)PEMFC一般在常温条件下运行，当温度在80℃左右易于快速起动。(３)PEMFC可以连续不断地工作ꎬ适合部分负荷特性的要求。(４)PEMFC的单体电池的电压高ꎬ是电动汽车较理想的一种电源。第一节燃料电池概述一、燃料电池的分类燃料电池依据其电解质的性质分为不同的类型三、燃料电池使用须解决问题燃料电池种类繁多；其性质和温度范围随所用的电解质的性质而异；对于汽车用燃料电池，质子交换膜燃料电池(PEMFC)最为适合。(１)如何经济地获取纯氢。(２)如何为燃料电池供应燃

3、料，通常氢能以三种状态存储和运输:高压气态、液态和氢化物形态。(３)安全问题，氢气是易燃气体，使用时要防止泄露、爆炸等危险情况的发生。(４)PEMFC，其工作温度低、起动快、能量密度高、寿命长、质量轻、无腐蚀性、不受二氧化碳的影响，但由于膜的结构、工艺和生产批量等问题的存在，到目前为止，质子交换膜的成本是非常高。四、中国燃料电池汽车发展现状(１)从20世纪50年代开始，中国一直进行燃料电池相关技术的研究。(２)在2008年奥运会(绿色奥运)和2010年上海世界博览会真正投入运营燃料电池汽车。(３)目前在中国有60多个机构在从事燃料电池的研究。(

4、４)2001年，北京绿能公司与清华大学和北京工业学院合作，研制出了以燃料电池为动力的出租车、客车和12个座位的公共汽车。五、燃料电池汽车的研发进展上海汽车集团与同济大学合作，同济大学参与研制的燃料电池发动机，以桑塔纳2000为基础，在2003年研制出超越1号燃料电池轿车，后续研制出如图所示的超越二号。图为为通用Hy-wire氢动三号，它由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68L的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气。第二节PEMFC燃料电池和燃料电池发动机一、PEMFC燃料电池结构正、负电极通常称为膜电极MEA(Membra

5、neElectrodeAssembly)，膜电极中包括正极、负极、质子交换膜和催化剂，正、负极是以多孔碳或石墨为载体，在电极内浸入氟磺酸并与质子交换膜压合，在负极和正极之间为催化剂和电解质层，它们共同组成单体电池如图所示。二、单体燃料电池组工作原理三、燃料电池组(堆)结构用端板将不同个数的单体PEMFC紧密地装配到一起组成不同规格(电压和容量)的PEMFC组。四、PEMFC的技术性能影响因素用端板将不同个数的单体PEMFC紧密地装配到一起组成不同规格(电压和容量)的PEMFC组。(１)内在因素，主要有:①燃料电池的结构形式和尺寸，②质子交换膜的

6、材质和工艺，③质子交换膜的电导率，④质子交换膜厚度，⑤采用的氧气的纯度，⑥燃料气体中所含的其他气体等。(２)外在因素，主要有:①气体的含水率，②燃料电池的工作温度，③氢气和氧化剂的压力，④燃料电池的密封性等。五、燃料电池发动机1.以氢气为燃料的燃料电池发动机系统以氢气为燃料的燃料电池发动机系统包括:氢气供应、管理和回收系统，氧气供应和管理系统，水循环系统，电力管理系统。2.以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统以甲醇为燃料的燃料电池发动机系统，包括甲醇储存装置、甲醇供应系统的泵、管道、阀门、加热器及控制装置等。以甲醇为燃料的燃料电池系统中的氧气供应、

7、管理系统，反应生成的水和热量的处理系统和电力管理系统与以氢为燃料的燃料电池系统基本相同。六、燃料电池汽车电源复合结构1.纯燃料电池(PFC)PFC只有燃料电池一个能量源，这种结构中燃料电池的额定功率大，成本高，对冷起动时间、耐起动循环次数、负荷变化的响应等提出了很高的要求。2.燃料电池＋辅助电池联合驱动(FC+B)FC+B有燃料电池和辅助动力装置(蓄电池或超级电容)两个动力源，通常燃料电池系统输出车辆常规速度行驶时所需的平均功率，而辅助动力装置用来提供峰值功率以补充车辆在加速或爬坡时燃料电池输出功率能力的不足。这样动力系统的动力性增强，运行状态

8、比较稳定，因而它的总体运行效率得到提高。3.燃料电池＋辅助电池＋超级电容联合驱动(FC+B+C)在早期的FCEV上多采用燃料电池＋蓄电池的混合电源，现