电动汽车的燃料电池系统

电动汽车的燃料电池系统 滕兆霞 (南京交通职业技术学院 　南京 　210032) 摘 　要 　介绍电动汽车的燃料电池系统及燃料电池的种类、工作原理、性能。 关键词 　公路运输电动汽车 　燃料电池 　性能 　　燃料电池是一种把燃料氧化所产生的化学能直接转 换为电能的“发电装置”。燃料电池等温地直接将储存在 燃料和氧化剂中的化学能转化为电能 ,它能够使用多种 燃料 ,可以是石油燃料 ,也可以是包括再生燃料在内的几 乎所有含氢元素的燃料 ,具有较好的燃料适应性。燃料 转化为氢后 ,以氢作为燃料电池的燃料 ,进一步转化为电 能。燃料电池常用的氧化剂为纯氧、净化空气和液体 (如 过氧化氢和硝酸的水溶液) 。由于其能量转换不经过热 机过程 ,因而能量转化效率高 ,可达到40 %～60 %左右 ,同 时 ,其产物仅为水和少量的二氧化碳 (CO2) ,不会产生氢 氧化物、碳氢化合物及一氧化碳等有害气体的排放。燃 料电池在运行过程中 ,不需要复杂的机械传动装置 ,因此 也就不需要润滑剂 ,也不会有振动和噪音。 1 　燃料电池的种类 (1)按燃料电池的运行机理分为酸性燃料电池和 碱性燃料电池。 (2)按电解质的种类分为碱性燃料电池 (AFC) 和 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 (PEMFC)等。 (3)按燃料类型 :氢气 H2 为直接燃料 ,但由于在自 然界是不能直接获得氢的 ,所以燃料电池最实用的燃 料是以氢或含富氧的气体燃料。如石油、甲醇、沼气、 天然气、石脑油、氢化物和煤气等 ,经过重整、裂解等化 学处理后来制氢气燃料。其中氧化剂采用氧气或空 气 ,最常用的是空气。不同燃料电池的单位质量能量 见 1。 不同燃料电池的单位质量能量 表 1 燃料种类 单位质量能量 (W·h/ kg) 氢 　气 28000 压缩氢气和液氢 33600 氢化镁 2400 氢化钒 700 汽 　油 12300～12400 甲 　醇 5700～6200 天然气 9530 　　(4)按燃料工作温度 :有低温型 ,温度低于 200 ℃; 中温型 ,温度为 200～750 ℃;高温型 ,温度高于 700 ℃。 2 　燃料电池的工作原理 燃料电池的工作原理与普通电池基本相同 ,也是 通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。所不同 的是 ,传统电池是事先填充好内部物质 ,化学反应结束 后 ,不能再释放出电能 ;而燃料电池进行化学反应所需 的物质是由外部不断填充的 ,中途供应燃料 ,就能源源 不断地输出电能和热能。 图 1 为一种燃料电池的结构示意图。从燃料电池 一侧的正极输入氧或空气 ,另一侧的负极输入氢和二 氧化氮 ,在正极与负极之间充满电解质。 图 1 　燃料电池结构示意图 氢燃料输入进燃料电池的负极 ,氧 (或空气)进入燃 料电池的正极 ,在催化剂的作用下 ,氢原子分裂成一个 电子和一个质子 ,它们通过不同的路径到达负极 ,从而 产生可利用的电流 ,同时氢和氧重新结合形成水分子。 其中氢的来源则是由燃料电池系统中的燃料转换 装置所提供 ,该装置将天然气、甲醇或者汽油等烃类燃 料自处理后转换为氢气。 3 　燃料电池的性能 (1)表 2 给出了各种燃料电池的技术性能参数。 (2)适用于汽车的燃料电池的基本要求有以下几 方面 : ①燃料电池堆的单位质量不低于 150 —200W·h/ kg ,单位质量功率不低于 300 —400W/ kg。其他指标达 到或超过美国先进电池联合体 (USABC) 提出的电池性 94 青海交通科技 　2004 —6 能指标水平。 ②种种附属装备尽可能小 ,尽可能轻。 ③可以在常温条件下工作 ,有可靠性和密封性 ,不 会发生燃料气体和电解液。 ④各种结构件有足够的强度和可靠性 ,可以在负 荷变化的情况下正常运转 ,能够耐受汽车行驶时的振 动和冲击。 ⑤燃料充添方便 ,能够打开燃料电池进行电极、电 解质和催化剂的更换和修理。 各种燃料电池的技术性能参数 表 2 燃料电池的类型 AFC PAFC MCFC SOFC PEMFC 质量功率 (W/ kg) 35 —105 100 —220 30 —40 15 —20 300 —1000 输出功率密度 (W/ cm2) 0. 5 0. 1 0. 2 0. 3 1 —2 燃料种类 H2 天燃气 甲醇液化石油 气 天然气 液化石油气 H2 　CO 　HC H2 燃料电极 和催化剂 Ag、金属氧化物 C 　Pt Ni Ni (NiO) Y- ZrO2 C 　Pt 氧电极的氧化 物的种类 O2 空气 空气 空气 空气 氧电极材料 和催化剂 Ni 　Pt 　Pd C 　Pt Li SrO·1LaO·9MnO3 C 　Pt 电解质 有腐蚀液体氢氧化钾 有腐蚀、磷酸水 溶液 有腐蚀、液体 碳酸盐 无腐蚀、氧化锆 系陶瓷系 无腐蚀固定 稳定氧化锆系 发电效率 45～60 35～60 45～60 50～60 30～40 启动时间 几分钟 2～4h > 10h > 10h 几分钟 电荷载体 OH - H + CO -3 O - 反应温度 ( ℃) 50～200 100～220 600～700 750～1000 25～105 应用情况 (参考) 应用于宇宙飞船 应用广泛 ,发展速度 有可能用于大型 发电厂 有可能用于大型发电 厂 发展迅速可用于 电动汽车 发展趋势 - - 拟开发 5000 — 11000kW 级固 定发电装置 正在研究和开发 200 —1000kW 级 固定发电装置 正在研究和开发数拾 kW 级 —数 kW 级发 电装置 正在研究和开发 数 kW 级 —数百 kW 级小型独立 发电装置 图 2 　固体高分子型燃料电池系统 05 滕兆霞 　电动汽车的燃料电池系统 4 　燃料电池系统 近年来研究开发的差不多都是固体高分子型燃料 电池 PEFC ,其平均重量和体积功率密度比其他燃料电 池好。工作温度低 ,容易操作 ,很适合汽车尤其小轿车 使用。 汽车固体高分子燃料电池大致有使用燃料、燃料储 存、改质器及辅助电源组成。见图 2。 (1)使用燃料 PEFC汽车使用的燃料电池有氢气、甲醇、汽油等。 氢可以直接作燃料。甲醇和汽油必须改质。以氢直接 作燃料 ,PEFC 系统简单 ,燃料使用率可达 100 % ,废气 排放几乎为零。甲醇功率密度高 ,搭载设备轻 ,一次充 填行驶距离可达汽油车水平。通常 ,甲醇有改质器改质 转变为氢供给 PEFC。现在开始研究在电极表面直接将 甲醇转变为氢离子的直接甲醇燃料电池。以汽油为燃 料 ,改质温度高 ,同时含在汽油中的硫易使催化剂中毒 , 系统复杂 ,技术要求高 ,难度大 ,需要解决的问题较多。 因此 ,目前主要使用的燃料是甲醇和氢气。 (2)燃料储存 氢气在常温下为气体 ,功率密度小 ,车载必须高密 度化。氢气的高密度储存有高压容器、液体氢罐、吸氢 合金 3 种方法。高压容器法可以参照天然气汽车中天 然气的储存方法 ,将氢气液化后储存在绝热容器中 ,虽 能提高其重量密度 ,但在极低温下液化 ,需要较多能源。 用吸氢合金方法储存氢气 ,氢的体积功率密度大 ,重量 密度小 ,且低压下可以充填 ,所需动力小 ,综合能源效率 好 ,适宜于小型汽车使用。 上述方法 ,无论哪种都不能由其一长一短决定 ,必 需有氢气制造、输送、储存设备及车辆状况通盘考虑 ,以 达到使用最佳化。至于甲醇储存 ,可以使用类似汽车油 箱即可。 (3)燃料改质 燃料改质是燃料电池的主体 ,目前主要改质是甲 醇。改质方法有水蒸气、部分氧化及复合型三种。部分 氧化改质由空气供给氧 ,因氮的存在会使改质器中的氢 浓度下降。复合型改质工艺过程复杂。水蒸气改质虽 需外部供给热量 ,但它可以利用燃料电池的废气燃烧 热。图 3 为甲醇水蒸气改质型燃料电池系统。 图 3 　甲醇水蒸气改质燃料电池系统 (4)辅助电源 使用辅助电源主要解决燃料电池汽车的起动问题 , 辅助电源与燃料电池的最佳组合 ,在燃料电池汽车的高 效率运转中起重要作用。辅助电源除 NI - MH、LF 离子 等二次电池外 ,还有双层电容器 (超电容)等。 5 　结束语 近年来 ,由于城市大气污染和全球温室效应的加剧以 及石油价格的不断攀升 ,内燃机发展面临着越来越严峻的 挑战和冲击 ,在不断增长的压力下 ,汽车行业一直没有停 止过包括燃料电池汽车、电动汽车、天然气汽车、液化石油 气汽车、混合动力汽车以及酒精和甲醇汽车技术的开发。 燃料电池汽车以其具有较高的能量转化效率 ,极少 的排放污染、安静、可靠的优良特性而越来越受到人们 的重视 ,燃料电池技术的不断成熟 ,大规模商品化的开 发应用 ,可望大幅度降低燃料电池的生产成本 ,从而为 广大汽车用户所接受 ,并将改变世界汽车的产业结构。 (上接第 38 页) 组织管理的作用 ,使实际工作按计划进行。但是在新 的干扰因素下 ,又会产生新的偏差。施工进度的控制 就是采用这种动态的循环的控制方法 ,再加上一些系 统的管理手段 ,促进施工质量的完善。 4 　结语 总而言之 ,公路工程施工进度是影响公路工程施工 质量的主要因素之一。作为一个公路工程的中标企业 , 其组织项目施工的企业项目经理及其他人员都应高度重 视公路工程的施工质量 ,以施工质量作为整个项目实施 过程中的主导地位 ,围绕施工质量进行施工进度计划与 组织管理。在施工过程中 ,编制月 (旬)作业计划 ,签发施 工任务书 ,做好施工进度 ,做好施工中的调度工作等 手段来逐步实现优化的施工进度 ,确保公路工程的施工 质量。创建优质工程 ,打造施工企业的形象和信誉。赢 得业主的信赖 ,同时也赢得更大的建筑业市场。 15 青海交通科技 　2004 —6