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氢燃料电池汽车的原理分析

钜大LARGE  |  点击量:1201次  |  2018年11月28日  

摘要
氢燃料电池是使用氢这种化学元素,制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。

什么是氢燃料电池

氢燃料电池是使用氢这种化学元素,制造成储存能量的电池。其基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。

氢燃料电池与其他电池区别

干电池、蓄电池是一种储能装置,是把电能贮存起来,需要时再释放出来;而氢燃料电池严格地说是一种发电装置,像发电厂一样,是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外,氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成,这是氢燃料电池的一项关键技术,它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面,还要对电池的化学反应起催化作用。

氢燃料电池应用领域

航天领域

航天领域

工作示意图

安装了这种体积小、容量大的装置。进入70年代以后,随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术,很快,氢燃料电池就被运用于发电和汽车。

大型电站,无论是水电、火电或核电,都是把发出的电送往电网,由电网输送给用户。但由于各用电户的负荷不同,电网有时呈现为高峰,有时则呈现为低谷,这就会导致停电或电压不稳。另外,传统的火力发电站的燃烧能量大约有70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上,燃烧时还会消耗大量的能源和排放大量的有害物质。而使用氢燃料电池发电,是将燃料的化学能直接转换为电能,不需要进行燃烧,能量转换率可达60%~80%,而且污染少、噪音小,装置可大可小,非常灵活。

氢的化学特性活跃,它可同许多金属或合金化合。某些金属或合金吸收氢之后,形成一种金属氢化物,其中有些金属氢化物的氢含量很高,甚至高于液氢的密度,而且该金属氢化物在一定温度条件下会分解,并把所吸收的氢释放出来,这就构成了一种良好的贮氢材料。

汽车应用

20辆中国自主研制的氢燃料电池轿车在同济大学新能源汽车工程中心举行赴京发车仪式,它们将在奥运会中投入运营。这20辆氢燃料电池轿车是基于大众帕萨特领驭车型,通过改制和集成最新一代燃料电池轿车动力系统平台而成功研发出来的。它们以氢气为能源,经氢氧化学反应生成水,真正实现零污染。氢燃料电池轿车加一次氢可跑300多公里,时速达每小时140~150公里。氢燃料电池轿车比同类型内燃机车重200多公斤,贵5倍以上。

氢燃料电池客车

氢燃料电池车的工作原理是:将氢气送到燃料电池的阳极板(负极),经过催化剂(铂)的作用,氢原子中的一个电子被分离出来,失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜,到达燃料电池阴极板(正极),而电子是不能通过质子交换膜的,这个电子,只能经外部电路,到达燃料电池阴极板,从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后,与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧,可以从空气中获得,因此只要不断地给阳极板供应氢,给阴极板供应空气,并及时把水(蒸气)带走,就可以不断地提供电能。燃料电池发出的电,经逆变器、控制器等装置,给电动机供电,再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动,就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比,燃料电池车能量转化效率高达60~80%,为内燃机的2~3倍。燃料电池的燃料是氢和氧,生成物是清洁的水,它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳,也没有硫和微粒排出。因此,氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车,氢燃料是完美的汽车能源!

氢燃料电池车的优势毋庸置疑,劣势也是显而易见。随着科技的进步,曾经困扰氢燃料电池发展的诸如安全性、氢燃料的贮存技术等问题已经逐步攻克并不断完善,然而成本问题依然是阻碍氢燃料电池车发展的最大瓶颈。氢燃料电池的成本是普通汽油机的100倍,这个价格是市场所难以承受的。

据悉,这批氢燃料电池车,最大输出功率高达60千瓦,燃料消耗仅为每百公里1.2公斤氢气,大约相当于4升93号汽油。

英国政府将大力发展氢燃料电池汽车,计划在2030年之前使英国氢燃料电池车保有量达到160万辆,并在2050年之前使其市场占有率达到30%-50%。政府将从2015年起实现氢燃料电池汽车本土化生产,并自行研发相关技术,另外还将建设氢燃料补给站。[3]

目前丰田汽车公司已经将燃料电池的成本大幅降低,整车价格控制在6.9万美元(40万人民币),可提供100KW动力输出,续航能力达到700公里。并将在北美和日本本土上市,上市时间为2015年上半年。[4]

飞机应用

工作原理

燃料电池(FuelCell),是一种发电装置,但不像一般非充电电池一样用完就丢弃,也不像充电电池一样,用完须继续充电,燃料电池正如其名,是继续添加燃料以维持其电力,所需的燃料是“氢”,其之所以被归类为新能源,原因就在此。燃料电池的运作原理(如图1),也就是电池含有阴阳两个电极,分别充满电解液,而两个电极间则为具有渗透性的薄膜所构成。氢气由燃料电池的阳极进入,氧气(或空气)则由阴极进入燃料电池。经由催化剂的作用,使得阳极的氢分子分解成两个质子(proton)与两个电子(electron),其中质子被氧‘吸引’到薄膜的另一边,电子则经由外电路形成电流后,到达阴极。在阴极催化剂之作用下,质子、氧及电子,发生反应形成水分子,因此水可说是燃料电池唯一的排放物。燃料电池所使用的“氢”燃料可以来自于水的电解所产生的氢气及任何的碳氢化合物,例如天然气、甲醇、乙醇(酒精)、沼气等等。由于燃料电池是经由利用氢及氧的化学反应,产生电流及水,不但完全无污染,也避免了传统电池充电耗时的问题,是目前最具发展前景的新能源方式,如能普及并应用在车辆及其他高污染之发电工具上,将能显著减轻空气污染及温室效应。

气污染及温

氢燃料电池飞机

时速百公里

波音公司成功试飞氢燃料电池为动力源的一架小型飞机。波音公司称这在世界航空史上尚属首次,预示航空工业未来更加环保。但波音承认,这一技术不太可能为大型客机提供主要动力。

波音公司于2008年2月至3月3次在西班牙奥卡尼亚镇进行试飞氢燃料电池飞机,成功试飞具有历史意义。小型飞机起飞及爬升过程使用传统电池与氢燃料电池提供的混合电力。爬升至海拔1000米巡航高度后,飞机切断传统电池电源,只靠氢燃料电池提供动力。飞机在1000米高空飞行了约20分钟,时速约100公里。这一技术对波音公司意义重大,也让航空工业的未来“充满绿色希望”。

小型飞机由奥地利“钻石”(Diamond)双座螺旋桨动力滑翔机改装而成,飞机内安装了质子交换膜燃料电池和锂离子电池。小型飞机翼展16.3米,机身长6.5米,重约800公斤,可容纳两人。试飞过程中,机上只有飞行员一人。

在机舱内,传统电池安放于唯一的乘客座位上,飞行员背后有一个类似潜水员使用的氧气罐。波音公司说,这架飞机连续飞行时间最长45分钟,“不会产生任何噪音”。氢燃料电池通过氢转化为水的过程产生电流,不产生温室气体。除热量外,水蒸气是氢燃料电池产生的唯一副产品。

波音的氢燃料电池飞机带来技术突破,但“波音(欧洲)研究与技术”部称,。这一技术可能为大型飞机提供辅助动力,但这需要技术突破。

氢燃料电池技术局限性

在燃料价格上涨、环境污染与全球变暖的情况下,对更清洁、更安全、效率更高的交通工具的需求快速增长。

波音的氢燃料电池飞机带来技术突破,但波音(欧洲)研究与技术部负责人埃斯卡蒂说,氢燃料电池可以为小型飞机提供飞行动力,但不能为大型客机提供主要动力。

波音公司负责试飞工作的工程师涅韦斯·拉佩纳说,这一技术可能为大型飞机提供辅助动力,但这需要技术突破。波音公司说,将继续开发氢燃料电池的潜力,以改善环境。

国际能源机构说,推广使用氢气和氢燃料电池,可减少石油、天然气、煤炭这三种可产生温室气体的能源消耗。

氢燃料电池汽车原理

氢燃料电池指的是氢通过与氧的化学反应而产生电能的装置(单纯依靠燃烧氢来驱动的“氢内燃机”,也曾出现过,比如宝马的氢能7系)。氢燃料电池车的驱动力来自于车上的电动机就像纯电动车样,因此氢燃料电池车可以理解为一辆“自带氢燃料发电机的电动车”。

原理

在燃料电池堆栈里,进行着氢与氧相结合的反应,其过程中存在电荷转移,从而产生电流。与此同时氢与氧化学反应后正好生成水。

燃料电池堆栈作为一个化学反应池,其最为关键的技术核心为“质子交换薄膜”。在这层薄膜的两侧紧贴着催化剂层,将氢气分解为带电离子状态,因为氢分子体积小,携带电子的氢可以透过薄膜的微小孔洞游离到对面去,但是在携带电子的氢穿越这层薄膜孔洞的过程中,电子被从分子上剥离,只留下带正电的氢质子通过薄膜到达另一端。

氢质子被吸引到薄膜另一侧的电极与氧分子结合。薄膜两侧的电极板将氢气拆分成氢离子正电和电子、将氧气拆分成氧原子以捕获电子变为氧离子(负电),电子在电极板之间形成电流,2个氢离子和1个氧离子结合成为水,水成为了该反应过程中的唯一“废料”。从本质来讲整个运行过程就是发电过程。随着氧化反应的进行,电子不断发生转移就形成了驱动汽车所需的电流。

氢燃料电池的工作原理

优势

节能环保性能优越

纵观氢燃料电池整个运行过程中,除了消耗氧气和空气之外,没有其他的能源消耗,没有加油也没有充电,节能性能毋庸置疑。同时,氢燃料电池堆栈在生产电能的过程中只产生水,因此其最大的优势就是真正的实现了“零排放”目标。

容易实现

燃氢发动机的实用化相对容易实现,传统内燃机结构只需稍加的改动就可以燃用氢气,而且可以充分利用全球现存的车用发动机生产线路和配套设施,因此是目前车用发动机氢能应用解决方案中最具经济性和使用最广泛的。此外,氢内燃机对氢燃料纯度的要求也没有燃料电池那么苛刻,并且在内燃机应用方面,传统的汽车厂商已经拥有了大量的经验。

燃料补充时间与燃油车相当

氢燃料电池车加注氢气的过程非常快速便捷,专用的加氢设备仅需3分钟即可充满氢原料,相对于纯电动车超长的充电等待时间而言,其优势是显而易见的。

应用前景

氢燃料电池的优点是令人难以想象的,如果使纯氢气,它的生产产物只有水,无污染、无噪声、效率高、响应性好等。氢燃料电池不但在汽车上可作为汽车的绿色动力源,而且在工业上也可作为一个大型氢燃料发电站,前景是不言而喻的。整个氢能系统技术中的燃料电池,被加拿大著名科学家斯科特比喻为能源系统的“芯片”,即能源供应中起着重要的关键作用,它进而延伸至整个国民经济和社会发展,以及人民生活中起着不可或缺的重要作用。

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