燃料電池在新能源客車中的應(yīng)用研究論文
燃料電池在新能源客車中的應(yīng)用研究論文
燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠”。但是，它需要電極和電解質(zhì)以及氧化還原反應(yīng)才能發(fā)電。以下是學(xué)習(xí)啦小編為大家精心準(zhǔn)備的：燃料電池在新能源客車中的應(yīng)用研究相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!
燃料電池在新能源客車中的應(yīng)用研究全文如下：
燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料電池汽車的工作原理是：使作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生出電能發(fā)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)汽車中的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而帶動(dòng)汽車的前后方向軸、后橋等行走機(jī)械結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)車輪驅(qū)動(dòng)汽車。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池車優(yōu)點(diǎn)突出，主要為零排放或近似零排放，燃料來源廣泛，減少了機(jī)油泄露帶來的水污染，降低了溫室氣體的排放，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃料效率且運(yùn)行平穩(wěn)、無噪聲，成為近年來研究的熱點(diǎn)。
1 燃料電池的由來
1939年英國William Robert Grove進(jìn)行水的電解實(shí)驗(yàn)，將水分解為氫氣和氧氣，由此想到其逆反應(yīng)，使氫氣和氧氣反應(yīng)就有可能產(chǎn)生電。為證實(shí)這一理論，他將兩條白金帶分別放入兩個(gè)密封瓶中，一個(gè)瓶中裝有氫氣，一個(gè)瓶中裝有氧氣，當(dāng)把這兩個(gè)密封瓶放入稀釋的硫酸溶液中時(shí)，電流開始在兩個(gè)電極之間流動(dòng)，瓶中生成了水。為提升電壓，他將四組裝置串聯(lián)起來，這就是全世界公認(rèn)的第一個(gè)燃料電池。
2 燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)
燃料電池具有非常獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：能量轉(zhuǎn)化效率高，可直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能;運(yùn)行平穩(wěn)、無噪聲;零排放或近似零排放，減少了機(jī)油泄露帶來的水污染，降低了溫室氣體的排放;提供的動(dòng)力可隨時(shí)啟停，可通過控制燃料實(shí)現(xiàn)。
雖然燃料電池有著獨(dú)特的優(yōu)勢，但其自身也存在一些嚴(yán)重的不足：成本昂貴;燃料的存儲(chǔ)困難，一般是使用氫氣做燃料，氫氣的體積能量密度較低，且具有一定的安全隱患，導(dǎo)致存儲(chǔ)異常困難;對(duì)工作環(huán)境的要求高，對(duì)溫度、環(huán)境的潔凈度等也有較高要求。
基于燃料電池以上的特點(diǎn)，燃料電池在新能源客車的批量應(yīng)用還有很長一段路要走，只有從技術(shù)上解決這些瓶頸問題，燃料電池車才能得以批量推廣。
3 燃料電池的分類
燃料電池按電解質(zhì)類型分為質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、堿性燃料電池、磷酸鹽燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池等。
3.1 質(zhì)子交換膜燃料電池
質(zhì)子交換膜一般是一種質(zhì)子導(dǎo)體聚合電解膜，常見的是氟化磺酸基聚合物。質(zhì)子交換膜燃料電池的聚合物膜厚度只有20～200μm，兩邊各自覆蓋一層鉑催化劑和多空的碳電極支撐材料。因?yàn)榫酆衔锬け仨毸弦员３肿銐虻碾妼?dǎo)率，所以其工作溫度必須限制在90℃以下。質(zhì)子交換膜燃料電池在所有的燃料電池中功率密度最高，有利于在新能源客車上應(yīng)用及推廣;可以低溫運(yùn)行，便于新能源客車實(shí)現(xiàn)快速啟停;另外固態(tài)的電解質(zhì)不變化、不遷移、不氣化，有效延長了電池的使用壽命;單體電池電壓高，有利于進(jìn)行整合用于裝車。缺點(diǎn)主要是使用昂貴的鉑催化劑，對(duì)CO和S比較敏感，微量的CO和S容易造成催化劑中毒。但因其顯著的優(yōu)勢，目前已在新能源車上得以應(yīng)用，并取得一定的運(yùn)營效果。
3.2 固態(tài)氧化物燃料電池
固態(tài)氧化物燃料電池使用固體陶瓷電解質(zhì)，最常見的是氧化釔和氧化鋯的混合物。固態(tài)氧化物燃料電池燃料選擇非常靈活，使用非貴重金屬催化劑，電解質(zhì)簡單易得，有相對(duì)較高的功率密度。但突出的缺點(diǎn)是工作溫度較高，不易實(shí)現(xiàn)。
3.3 堿性燃料電池
堿性燃料電池使用氫氧化鉀水溶液電解質(zhì)，根據(jù)其濃度不同，堿性燃料電池可以在60℃～220℃下工作。堿性燃料電池有望使用非貴重金屬催化劑替代鉑催化劑，材料成本低廉。但是需要使用高純氫氣和氧氣做燃料和氧化劑，不斷補(bǔ)充電解質(zhì)，并需要及時(shí)排除陽極生成的水。
3.4 磷酸鹽燃料電池
磷酸鹽燃料電池使用液態(tài)磷酸作為電解質(zhì)，液態(tài)磷酸會(huì)不斷揮發(fā)，所以要求在工作時(shí)需要不斷加入磷酸。磷酸鹽燃料電池技術(shù)較成熟，電解質(zhì)成本低，可靠性較好。但需要使用昂貴的鉑催化劑，對(duì)CO和S比較敏感，并需要不斷補(bǔ)充電解質(zhì)。
3.5 熔融碳酸鹽燃料電池
熔融碳酸鹽燃料電池的電解質(zhì)是一種固定在LiOAlO2基體中的堿性碳酸鹽，碳酸鋰和碳酸鉀的熔融混合物。熔融碳酸鹽燃料電池燃料選擇多，使用非貴重金屬催化劑，但必須提供CO2循環(huán)，因?yàn)殡娊赓|(zhì)具有熔融性和腐蝕性，需要使用耐腐蝕材料。
五種燃料電池使用不同的電解質(zhì)，所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、工作溫度、電池的材料及設(shè)計(jì)、優(yōu)缺點(diǎn)各有不同。其中質(zhì)子交換膜燃料電池由于工作溫度低、啟動(dòng)快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，被公認(rèn)為電動(dòng)汽車的首選燃料電池。
4 燃料電池的工作原理
以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，簡單介紹其工作原理。質(zhì)子交換膜燃料電池主要由端板、絕緣板、集流板、密封圈、雙極板、膜電極組件MEA、擴(kuò)散層、冷卻通道組成。
在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使質(zhì)子經(jīng)過膜從陽極到達(dá)陰極，與外電路的電子形成回路，向外界提供電流。反應(yīng)過程是水的電解的逆反應(yīng)過程：它由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電解質(zhì)板所組成。工作時(shí)向負(fù)極供給燃料(氫)，向正極供給氧化劑(空氣)。在負(fù)極上，燃料分解成氫離子和電子e-。氫離子進(jìn)入電解質(zhì)中，而電子則沿外部電路移向正極。在正極上，空氣中的氧同電解質(zhì)中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。
5 燃料電池在新能源客車上的應(yīng)用
燃料電池車按照驅(qū)動(dòng)形式分為純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)和混合驅(qū)動(dòng)?；旌向?qū)動(dòng)按照輔助動(dòng)力源分為燃料電池+蓄電池，燃料電池+超級(jí)電容，燃料電池+蓄電池+超級(jí)電容。按照燃料電池功率分為功率混合型和能量混合型。
5.1 純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)車構(gòu)型
燃料電池作為單一動(dòng)力源，經(jīng)DCDC帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車行駛，結(jié)構(gòu)簡單，但是燃料電池功率要求大，成本昂貴，由于燃料電池作為唯一動(dòng)力源，所以對(duì)燃料電池的性能和可靠性要求高，不能進(jìn)行制動(dòng)能量回收。
5.2 燃料電池+蓄電池混合驅(qū)動(dòng)車構(gòu)型
燃料電池和蓄電池均為整車動(dòng)力源，燃料電池經(jīng)DCDC帶動(dòng)電池驅(qū)動(dòng)整車行駛，蓄電池也可驅(qū)動(dòng)整車行駛，進(jìn)行制動(dòng)能量回收，并用于空壓機(jī)等部件工作，電堆加熱，氣體加濕。此構(gòu)型降低了燃料的功率要求、成本，并可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收，但是增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和蓄電池的維護(hù)成本。
5.3 燃料電池+超級(jí)電容混合驅(qū)動(dòng)車構(gòu)型
燃料電池和超級(jí)電容均為整車動(dòng)力源，燃料電池經(jīng)DCDC帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車行駛，與蓄電池相比，超級(jí)電容壽命長、效率高、成本低，但由于其容量小，制動(dòng)能量回收能量有限。
5.4 燃料電池+蓄電池+超級(jí)電容混合驅(qū)動(dòng)車構(gòu)型
燃料電池、超級(jí)電容、蓄電池均為整車動(dòng)力源，燃料電池經(jīng)DCDC帶動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車行駛，與以上構(gòu)型相比，超級(jí)電容可提供加速或吸收緊急制動(dòng)的尖峰電流，減輕蓄電池的負(fù)擔(dān)，延長蓄電池的壽命，但復(fù)雜程度高、控制復(fù)雜。
6 結(jié)語
燃料電池因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為新能源車的終極發(fā)展目標(biāo)，因此我們需要加強(qiáng)對(duì)燃料電池的深入研究，為燃料電池商業(yè)化奠定基礎(chǔ)。
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