第四章 燃料电池汽车44页

催化剂的稳定 性取决于其化 学稳定性和抗 中毒能力。化 学稳定性好是 指催化剂在电 解质溶液中不 腐蚀。
电催化活性一 般与催化剂的 比表面积有关。 一般来说，比 表面积大，电 催化活性也高。
用适当的载体 就能够达到这 样的效果。常 用的载体有活 性炭、炭黑等， 它们的比表面 积大、导电性 好。
因为氢或氧在 催化剂上反应 后的电子要通 过催化剂传导， 因此，催化剂 必须具有较高 的电导率。
Nafion 膜的另一个优点是有好的化学稳定性。
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4.2 燃料电池系统
4.2.1 燃料电池堆
（3）质子交换膜
1.价格昂贵
2.膜内水量 难控制
5.在0℃一下膜内 结构被破坏
Nafion膜存在的问题
4.操作温度
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3.膜湿度 要求较高
4.2 燃料电池系统
4.2.1. 燃料电池堆
（4）双极板和流场
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4.2 燃料电池系统
4.2.1. 燃料电池堆
（3）质子交换膜
质子交 换膜功 能
它是一种绝缘体，作为隔膜，把阴、阳两极分开，防止电池短路，也防止
氢气与氧气直接接触。
它是一种质子导体，它能把氢在阳极氧化生成的H+输送至阴极，提供阴极反 应所需要的H+，并使电池形成电回路。
质子交换膜最主要的性能是要有好的质子导电性。
阳极和阴极发生的电化学反应为：
H2+2OH-→2H++2e-
O2+4H++4e-→2H2O
碱性石棉膜型氢氧燃料电池的工作原理
总电化学反应为： 2H2+O2→2H2O
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4.1 燃料电池
（3）磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell， 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。
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。
固体氧化物燃料电池的基本组成
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4.1 燃料电池
（5）固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell， SOFC）
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
RT i
Va

nF
ln( i0
)
也可写为
Va a blni
式中，a -RT ( nF)ln i0;b RT (nF)。其中 i0 为平衡态
双极板又称集流板、隔板，是电池的核心部件之一。质子交换膜燃料电池的 气室主要是由双极板构成的。每个双极板的两面形成两个气室：一面是氢气 室；另一面是氧气室。双极板的中间是冷却管道。
双极 板的 功能
分隔反应气体并通过流场将反 应气体导入燃料电池，收集并 传导电流和支撑膜电极
同时还承担整个燃料电池系统 的散热和排水功能
新能源汽车概论
第四章 燃料电池汽车
二次电池 冷却装置
驱动装置
储氢装置 燃料电池
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
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4.1 燃料电池
燃料电池概念：燃料电池（Fuel Cell，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。
压缩气体形式 储氢
液态储氢ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
可逆金属氢化 物储氢
碳纳米纤维储 氢
通过压缩 方式储存 氢，对环 境污染很 小，使用 比较安全。
在 22K 左右的 温度下以液态 形式储存氢， 是目前唯一使 用最广泛的大 规模储氢方式。
金属氢化物在 较低的压力下 具有较高的储 氢能力。金属 氢化物储氢虽 然具有较高的 容积效率且使 用安全，但质 量效率较低。
氢氧燃料电池中的运行效率随着电流密度的变化 河南科技大学
4.1 燃料电池
4.1.2 燃料电池的特性
辅助设备主要包 括空气循环泵、 冷却水循环泵、 排气扇、燃料供 应泵和电控设备。 在辅助设备中， 空气循环泵的能 量消耗最大，其 消耗功率（含驱 动电机）约占燃 料电池堆总输出 功率的10%，其他 较小
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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（Proton Exchange
Membrane Fuel Cell，PEMFC）
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++4e4e-+4H++O2→2H2O 总电化学反应为：2H2+O2→2H2O
性。
的 ⑤控制电池温度。双极板中间设计有冷却水的通道，用来控制电池温度，因 要 此，双极板必须是热的良导体。
⑥支撑隔膜和电极的组合体。
求 ⑦要有好的抗腐蚀性。
⑧双极板材料要价格低廉、双极板材料要重量轻。
⑨较低的面电阻、。
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4.2 燃料电池系统
4.2.1. 燃料电池堆
（4）双极板和流场
流场功能：
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4.2 燃料电池系统
4.2.1. 燃料电池堆
（4）双极板和流场
①提供气体通道。双极板必须具有合适的流场结构，而且能提供气体通道， 使反应气体在气室内均匀分布和流动，并带出电池中生成的水气。
双 ②分开氢气和氧气。 极 ③容易加工成形且价格低廉。 板 ④集电流作用。单体电池通过双极板实现电连接，因此双极板必须好的导电
Nafion 膜的性 能
Nafion膜有很好的质子导电性，一个H+的迁移一般要伴随0.6个水分子的迁移。 这种膜在缺水的情况下，H+的传导性将显著下降，所以保持膜的适度湿润性 非常重要。
干的 Nafion 膜有很好的机械强度，但当其含水量增加时，机械强度会降低， 因此必须控制质子交换膜燃料电池的水含量。
燃料电池中的能量损耗
可通过电压降予以表达，
因此，燃料电池的效率
可表示为
fc
=
V Vr0
式中，V0r为在标准条件 下单元电池的可逆电压。
氢氧燃料电池的单元电压与电流密度的关系曲线 河南科技大学
4.1 燃料电池
4.1.2 燃料电池的特性
氢氧燃料电池的 效率-电流密度 曲线如图所示， 随着电流增加， 效率下降而功率 增加。因此，在 低电流下运用燃 料电池，即在低 功率下可获得高 运行效率。
阳极和阴极发生的电化学反应为：
H2+CO32-→H2O+CO2+2e-
熔融碳酸盐燃料电池工作原理
O2+2CO2+4e-→2CO32-
总电化学反应为：O2+2CO2+2H2→2CO2+2H2O
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4.1 燃料电池
（5）固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，
SOFC）
Vcg
=
RT nF
ln

ps po

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。
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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 降是产生电压降的原因。
条件下的交变电流； b 为取决于过程的常数。
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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。
交指流场、螺旋流场、平行流场、平行蛇形流场和平行沟槽流场等。
蛇形流场
平行流场 河南科技大学
平行蛇形流场
4.2 燃料电池系统
4.2.2. 氢供给系统
在通常状况下，氢是无色、无味、无嗅的气体，极难溶解于水。与其他气体能量载体 不同的是，氢气难以液化，导致大规模的储氢非常困难，这已经成为氢能利用走向规 模化的瓶颈。为了更大规模、更安全地储氢，人们进行了如下多种氢气存储方法的研 究。
氢-空气燃料电池系统
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4.1 燃料电池
4.1.2 燃料电池的特性
该图表明了该燃料电池系统的最佳运行区域在其电流范围的中间区域，估计在最 大电流的 7%～50%范围内。大电流将导致低效率，是因为在燃料电池堆中产生了 较大的电压降；另一方面，很小的电流导致低效率，则是因为辅助设备所消耗能 量的百分比的增大。
阳极和阴极发生的电化学反应为：
H2→2H2O+2eO2+2H2O+4e-→4OH总电化学反应为： 2H2+O2→2H2O
磷酸燃料电池的工作原理
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4.1 燃料电池
（4）熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，
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。
固体氧化物燃料电池工作原理示意图
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。
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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，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
V Rei
式中， Re为按面积所得的等值欧姆电阻；i 为电流密度。
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质子交换膜的工作原理
4.1 燃料电池
（2）碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell,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。
各国学者对碳 纳米材料的储 氢研究刚刚开 始，研究成果 也各不相同。 但，纳米纤维 储氢已经显示 出了显著的优 越性，有望成 为未来储氢的 有效方法。
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4.2 燃料电池系统
4.2.2. 氢供给系统
用氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池系统设备相对简单，起动快、性能稳定，对负 荷变化的响应快，相对成本较低。因此采用质子交换膜燃料电池的燃料电池汽车受到 了高度的重视。
①引导反应气体的流动方向，确保反应气体均匀分配到电极各处。 ②合理流场结构可以使电极各处都能获得充足的反应物。 ③及时把电池生成的水排出，保证电池具有较好的性能和稳定性。
双极板结构示意图 河南科技大学
4.2 燃料电池系统
4.2.1. 燃料电池堆
（4）双极板和流场
流场种类：点状流场、网状流场、多通道流场、蛇形流场、交错型流场、
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
Vc1 =
RT nF
ln

iL iL
i

而在电极处离子被生成（燃料电池中的阳极）条件下，则为
Vc1

RT nF
ln(iL iL
i)
式中， iL为极限的电流密度。
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4.1 燃料电池
4.1.2 燃料电池的特性
电催化剂的功能是加速电极与电解质界面上的电化学反应或降低反应的活化能，使反应更 容易进行。在质子交换膜燃料电池中，催化剂的主要功能是促进氢气的氧化和氧气的还原。 催化剂必须具备以下几个条件：
高电催化活性 高电催化稳定性 大的比表面积
有适当的载体 有好的导电性
催化剂要对氢 气氧化反应和 氧气还原反应 都具有较高的 催化活性，而 且还要对反应 过程中存在的 副反应具有较 好的抑制作用
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
氢-空气燃料电池的单元电压、系统效率和净功率密度随净电流密度变化的曲线 河南科技大学
4.2 燃料电池系统
4.2.1. 燃料电池堆
（1）膜电极组件
阴极扩散层
膜
电
阴极催化剂层
极
集
质子交换膜
合
体
阳极催化剂层
阳极扩散层
单体电池壳体及膜电极集合体
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4.2 燃料电池系统
4.2.1. 燃料电池堆
（2）电极催化剂