燃料电池汽车课件.pptx

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1、新能源汽车概论第四章燃料电池汽车二次电池冷却装置燃料电池储氢装置驱动装置4.1燃料电池4.2燃料电池系统4.3燃料电池汽车的类型及应用本章主要内容燃料电池概念：燃料电池（FuelCell，FC）是一种化学电池，它直接把物质发生化学反应时释放出的能量变换为电能，工作时需要连续地向其供给燃料和氧化剂。它是把燃料通过化学反应释放出能量变为电能输出的，因此被称为燃料电池。4.1燃料电池4.1.1燃料电池的种类根据电池电解液类型不同，可分为五类：（1）质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，

2、PEMFC）4.1燃料电池其原理相当于水电解的“逆”装置。阳极阴极的电化学反应为：2H2→4H++4e-4e-+4H++O2→2H2O总电化学反应为：2H2+O2→2H2O质子交换膜的工作原理4.1燃料电池阳极和阴极发生的电化学反应为：H2+2OH-→2H++2e-O2+4H++4e-→2H2O总电化学反应为：2H2+O2→2H2O碱性石棉膜型氢氧燃料电池的工作原理（2）碱性燃料电池（AlkalineFuelCell,AFC）该燃料电池以强碱（KOH、NaOH）为电解质，氢气为燃料，纯氧或脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂，采

3、用Pt/C、Ag等为电催化剂制备的多孔气体扩散电极为氧电极，Pt-Pd/C、Pt/C、Ni制备的多孔气体电极为氢电极。4.1燃料电池阳极和阴极发生的电化学反应为：H2→2H2O+2e-O2+2H2O+4e-→4OH-总电化学反应为：2H2+O2→2H2O磷酸燃料电池的工作原理（3）磷酸燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell，PAFC）磷酸燃料电池是以磷酸为导电电解质的酸性燃料电池。磷酸燃料电池使用液化磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。当以氢气为燃料、氧气为氧化剂时，在电池内发生电化学反应。4.1燃料电池阳

4、极和阴极发生的电化学反应为：H2+CO32-→H2O+CO2+2e-O2+2CO2+4e-→2CO32-总电化学反应为：O2+2CO2+2H2→2CO2+2H2O熔融碳酸盐燃料电池工作原理（4）熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell，MCFC）熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。单体的熔融碳酸盐燃料电池一般是平板型的，由电极-电解质、燃料流通道、氧化剂流通道和上下隔板组成。4.1燃料电池（5）固体氧化物燃料电池（SolidOxideFue

5、lCell，SOFC）固体氧化物燃料电池的基本组成固体电解质是固体氧化物燃料电池最核心的部件，它的主要功能在于传导氧离子，它的性能（如电导率、稳定性、热膨胀系数、致密化温度等）不但直接影响电池的工作温度及转换系数，还决定了与之相匹配的电极材料及其制备技术。4.1燃料电池阴极发生的电化学反应为：O2+4e-→2O2-阳极材料首选价格最低的NI/YSZ陶瓷合金。固体氧化物燃料电池工作原理示意图（5）固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）4.1燃料电池4.1.2燃料电池的特性当由燃料电池提取电流时，

6、因电极和电解液中存在欧姆电阻而产生电压降，它正比于电流密度，即式中，Re为按面积所得的等值欧姆电阻；i为电流密度。在燃料电池中，由于需要附加能量去克服活性势垒，故部分产生的能量损失存在于促成物质反应的过程之中。这些损耗称为活性损耗，并由活性电压降ΔVa予以表达。Tafel关系式是应用于这一特性的最一般的数学描述，由此可得活性电压降为也可写为式中，其中i0为平衡态条件下的交变电流；b为取决于过程的常数。4.1燃料电池4.1.2燃料电池的特性当电流流通时，离子在邻近负极处放电，因此，在该区域中，离子浓度趋于减小。因离子缺少所导

7、致的电压降称为浓度电压降，因为它与紧邻电极处的电解液浓度的降低相关联。对应于较低的电流密度，浓度电压降通常较小。在电极处离子被迁移（燃料电池中的阴极）条件下，由离子浓度所引起的电压降可表达为而在电极处离子被生成（燃料电池中的阳极）条件下，则为式中，iL为极限的电流密度。4.1燃料电池4.1.2燃料电池的特性因离子浓度所导致的电压降不仅限于电解液，当反应物或生成物是气态物时，在反应区中，局部压力的变化也表征了离子浓度的变化。例如，在氢氧燃料电池中，氧可以从空气中引入，当反应发生时，氧被迁移接近电极微孔中的电极表面，而在那里与

8、在整体空气情况中相比，氧的局部压力必然下降。由局部压力变化所必然导致的电压降为式中，Ps为表面处的局部压力；Po为所用多孔材料中的局部压力。4.1燃料电池4.1.2燃料电池的特性如图为氢氧燃料电池在温度为T=80℃条件下，其单元电压与电流密度的关系曲线。由图可见，由化学反应（包含活性和浓度变化）引起的压