《新能源汽车概论》课件-5 燃料电池

燃料电池燃料电池概述

燃料电池（FuelCell）是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料（如氢气）和氧化剂中的化学能转化为电能的高效发电装置。

电池工作时，燃料和氧化剂由外部供应，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续的发电。

燃料电池作为新一代汽车动力源，已被世界各大工业国视为战略产品。燃料电池的分类1.按燃料处理方式的不同2.按电解质类型的不同直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温3种类型。间接式燃料电池包括重整式燃料电池和生物燃料电池。再生式燃料电池中有光、电、热燃料电池等。质子交换膜燃料电池（PEMFC）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的结构质子交换膜燃料电池由质子交换膜、催化剂、电极、膜电极、集流板等组成。电极阳极扩散层阴极扩散层阳极催化剂阴极催化剂集流板阳极集流板阴极集流板质子交换膜燃料电池的工作原理

质子交换膜燃料电池(PEMFC)在原理上相当于水电解的“逆”装置，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，质子交换膜为电解质。PEMFC工作原理电化学反应为：阳极：2H2→4H++4e-

阴极：O2+4H++4e-→ 2H2O总反应：2H2+O2=2H2O 质子交换膜燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池电化学反应的具体过程为：1）高压氢罐向阳极输入氢气；2）氢分子（H2）在阳极催化剂（铂金）作用下离解成氢离子（H+）和电子（e-）；3）氢离子（H+）穿过质子交换膜向阴极方向运动，同时电子（e-）因通不过质子交换膜而由外部电路流向阴极；4）空气压缩机向阴极输入氧气（O2），氧气（O2）在阴极催化剂（铂金）作用下离解成氧原子（O）；5）通过外部电路流向阴极的电子（e-）、通过质子交换膜的氢离子（H+）与氧原子（O）在阴极完成电化学反应，结合生成水（H2O），所释放热量由散热器带出；6）电子（e-）流动形成的外部电路产生输出电压，并通过DC/DC转换器转成高电压，供给汽车行驶。质子交换膜燃料电池特点优点能力转化效率高绿色环保，无污染噪声小维护方便过载能力强氢来源广泛缺点制造成本和使用成本高对氢的纯度要求高碱性燃料电池的结构碱性燃料电池单体结构

碱性燃料电池是以碱性溶液氢氧化钾为电解质，将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，是燃料电池中生产成本最低的一种电池，其单体结构如图所示：

阳极通入氢气，也叫氢电极阴极通入氧气，也叫氧电极碱性燃料电池的工作原理碱性燃料电池单体的工作原理

电化学反应为：

阳极反应：2H2

+4OH-

→4H2O+4e-阴极反应：O2

+2H2O+4e-

→4OH-

总反应：2H2+O2→2H2O阳极：氢气与氢氧根离子在催化剂作用下，发生氧化反应生成水和电子阴极：氧气与水和电子发生还原反应，生成氢氧根离子碱性燃料电池的特点（1）碱性燃料电池具有较高的效率（50%～55%）。（2）工作温度大约80℃，因此，它的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十几倍。（3）性能可靠，可用非贵金属作催化剂。（4）是燃料电池中生产成本最低的一种电池。（5）是技术发展最快的一种电池，主要应用于空间任务，为航天飞机提供动力和饮用水。（6）使用具有腐蚀性的液态电解质，具有一定的危险性和容易造成环境污染。磷酸燃料电池的结构磷酸燃料电池（PAEC）是以磷酸为导电电解质的酸性燃料电池，也是目前燃料电池中唯一商业化运行的燃料电池。磷酸燃料电池的电池堆结构示意图

磷酸燃料电池的电池片由燃料极、电解质层和空气极构成，燃料极和空气极都是由基材及肋条板催化剂层所组成，是两块涂有催化剂的多孔碳素板电极。电解质层是用来保持磷酸的，它是经浓磷酸浸泡的碳化硅系电解质保持板。为降低电堆内部的热量，在每个电池片中还叠加有冷却板。

将数枚单电池片进行叠加，再加上用于上下固定的构件、供气用的集合管等构成磷酸燃料电池的电池堆。磷酸燃料电池的工作原理

燃料以氢气为例，将氢气送入燃料堆的阳极（燃料极），同时将氧气送入到燃料堆的阴极（空气极）。氢气在催化剂作用下被氧化成为质子，氢质子和水结合成水合质子，同时释放出自由电子，电子通过外电路向阴极运动，水合质子通过磷酸电解质向阴极移动，在阴极上，电子、水合质子和氧气在催化剂的作用下生成水分子。电极反应表达如下所示。阳极：2H2+4e-→4H+

阴极：O2+4H+→2H2O+4e-总反应：O2+2H2→2H2O磷酸燃料电池的工作原理图磷酸燃料电池的特点（1）磷酸燃料电池具有结构简单、稳定、电解质挥发度低等优点，目前已有许多发电能力为0.2~20MW的工作装置被安装在世界各地，为医院、学校和小型电站提供电力。（2）磷酸燃料电池的工作温度比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，为150~200℃，较高的温度使其对杂质的耐受性较强，当其反应物中含有1%~2%的一氧化碳时，磷酸燃料电池依旧可以正常工作。（3）磷酸燃料电池高温度运行会加大能量的损耗，因此这种燃料电池很难应用在轿车上。燃料电池的发展前景

氢燃料电池早在20世纪60年代就因其体积小、容量大的特点而成功应用于航天领域。进入70年代后，随着技术的不断进步，氢燃料电池也逐步被运用于发电和汽车。现如今，伴随各类电子智能设备的崛起以及新能源汽车的风靡，氢燃料电池有了更广泛的应用领域。

从市场的观点来看，燃料电池因其稳定性和无污染的特质，既适宜用于集中发电，建造大、中型电站和区域性分散电站，也可用作各种规格的分散电源、电动车、不依赖空气推进的潜艇动力源和各种可移动电源，同时也可作为手机、笔记本电脑等供电的优选小型便携式电源。燃料电池作通讯基站备用电源氢燃料电池汽车燃料电池电动汽车燃料电池汽车概念以燃料电池系统作为动力源或主动力源的汽车称为燃料电池汽车（fuelcellelectricvehicle，FCEV）。燃料电池汽车的分类燃料电池汽车常见的分类方式有：2按主要燃料种类不同1按“多电源”配置不同燃料电池电动汽车的分类1、按照“多电源”配置不同分类（1）纯燃料电池驱动（PFC）的FCEV（2）燃料电池与辅助蓄电池联合驱动（FC+B）的FCEV（3）燃料电池与超级电容联合驱动（FC+C）的FCEV（4）燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动（FC+B+C）

的FCEV燃料电池电动汽车的分类纯燃料电池驱动的燃料电池电动汽车

纯燃料电池驱动的燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源，汽车的所有功率负荷都由燃料电池提供。驱动电机传动系燃料电池系统燃料电池电动汽车的分类燃料电池与辅助蓄电池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，从而驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，为蓄电池充电。驱动电机传动系燃料电池系统蓄电池燃料电池电动汽车的分类燃料电池与超级电容联合驱动的燃料电池电动汽车驱动电机传动系燃料电池系统超级电容这种结构形式与燃料电池+蓄电池结构相似，只是把蓄电池换成超级电容。相对于蓄电池，超级电容充放电效率高，能量损失小，循环寿命长，制动时能量再生能量回收率高，正常工作温度范围宽；但是超级电容的能量密度较小，能量存储有限，峰值功率持续时间短，系统结构复杂。燃料电池电动汽车的分类燃料电池与辅助蓄电池和超级电容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、蓄电池和超级电容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，从而驱动汽车前进；在汽车制动时，驱动电机变成发电机，蓄电池和超级电容将储存回馈的能量。驱动电动机传动系燃料电池系统蓄电池超级电容燃料电池电动汽车的分类在这几种配置中，FC+B+C组合被认为能够最大限度满足整车的起动、加速、制动的动力和效率需求，但成本最高，结构和控制也最为复杂。目前燃料电池电动汽车动力系统的一般结构是FC+B组合。这是因为它具有以下特点：（1）燃料电池单独或与动力电池共同提供持续功率，而且在车辆起动、爬坡和加速等峰值功率需求时，动力电池提供峰值功率；（2）在车辆起步的时候和功率需求量不大的时候，蓄电池可以单独输出能量；（3）蓄电池技术比较成熟，可以在一定程度上弥补燃料电池技术上的不足。燃料电池电动汽车的分类2、按照主要燃料种类不同分类直接燃料电池电动汽车重整燃料电池电动汽车直接燃料电池电动汽车的燃料是氢气。重整燃料电池电动汽车的燃料主要有天然气、甲醇、甲烷、液化石油气等，经过重整后产生的氢气作为燃料电池的燃料。甲醇重整燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车的结构

燃料电池电动汽车主要由燃料电池、高压储氢罐、辅助动力源、DC/DC转换器、驱动电机和整车控制器等组成。整车控制器驱动电机DC/DC转换器燃料电池高压储氢罐辅助动力源电机控制器燃料电池电动汽车的结构燃料电池：

燃料电池是燃料电池电动汽车的主要动力源，它是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。燃料电池发电的基本原理是：

电池的阳极输入氢气，氢分子在阳极催化剂作用下被离解成为氢离子（H＋）和电子（e-）、氢离子（H＋）穿过燃料电池的电解质层向阴极方向运动，电子（e-）因通不过电解质层而由一个外部电路流向阴极；在电池阴极输入氧气，氧气在阴极催化剂作用下离解成为氧原子，与通过外部电路流向阴极的电子（e-）和燃料穿过电解质的氢离子（H＋）结合生成稳定结构的水，完成电化学反应，放出热量。这种电化学反应与氢气在氧气中发生的剧烈燃烧反应是完全不同的，只要阳极不断输入氢气，阴极不断输入氧气，电化学反应就会连续不断地进行下去，电子（e-）就会不断通过外部电路流动形成电流，从而连续不断地向汽车提供电力。燃料电池电动汽车的结构高压储氢罐：高压储氢罐是气态氢的储存装置，用于给燃料电池供应氢气。为保证燃料电池电动汽车一次充气有足够的续驶里程，就需要多个高压储气瓶来储存气态氢气。一般轿车需要2~4个高压储气罐，大客车上需要5~10个高压储气罐。燃料电池电动汽车的结构辅助动力源：根据FCEV的设计方案不同，其所采用的辅助动力源也有所不同，可以用蓄电池组、飞轮储能器或超大容量电容器等共同组成双电源系统。在具有双电源系统的FCEV上，驱动电动机的电源可以出现以下驱动模式。

在启动时，由辅助动力源提供电能带动燃料电池发动机起动，或带动车辆起步。

车辆行驶时，由燃料电池发动机提供驱动所需全部电能，剩余的电能储存到辅助动力源装置中。

在加速和爬坡时，若燃料电池发动机提供的电能还不足以满足FCEV驱动功率要求，则由辅助动力源提供额外的电能，使驱动电动机的功率或转矩达到最大，形成燃料电池发动机与辅助动力源同时供电的双电源的供电模式。

制动时，辅助动力源还可以贮存制动时反馈的电能。燃料电池电动汽车的结构DC/DC变换器：燃料电池电动汽车汽车上的各种电源的电压和电流受工况变化的影响呈不稳定状态。为了实现燃料电池系统输出电压与电动机驱动电压相匹配，在电源与驱动电动机之间，需要安装DC／DC转换器，即经过DC／DC转换起到升压和稳压的调节作用。DC／DC转换器也能够对燃料电池的最大输出电流和功率进行控制，起到保护燃料电池系统的目的。驱动电机：燃料电池电动汽车用的驱动电机主要有直流电机、交流电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等，具体选型必须结合整车开发目标，综合考虑。燃料电池电动汽车的