燃料电池汽车关键技术与燃料电池控制技术

NO. 0171 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。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++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（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。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（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。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（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。阳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磷酸燃料电池的工作原理（5）固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell， SOFC）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。eVR i =0ln( )aRTiVnFi=lnaVa bi= +0-() ln;()aRTnFi bRTnF==。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。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。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。c1=lnnFLLiRTVii− 1ln()LcLiiRTVnFi+=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。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。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式中，V0r为在标准条件下单元电池的可逆电压。fcr0= VV氢氧燃料电池的单元电压与电流密度的关系曲线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。cg=lnnFsopRTVp氢氧燃料电池中的运行效率随着电流密度的变化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。氢-空气燃料电池系统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。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1.3 燃料电池系统基本原理◼ 电催化反应原理特点：①效率高(60%)；②零排放(仅生成水)；③噪声小；④温度低(80度左右)；⑤启动快。◼ 单电池结构组成◼ 电堆类似于电池干电池串联通常情况下，单节燃料电池的工作电压在 0.6 ~ 0.7 V。为达到应用所需的电压和 功率要求，需将多个单电池串连在一起组成电堆，如上图所示：一定数量的MEA、 双极板和密封件交替重复叠放在一起，两端再分别加装集流板、绝缘板和端板，在 一定的压力下组装即可 。◼ 膜电极（MEA）膜电极 membrane electrode assembly (MEA)，由电解质膜（PEM）和分别位于其两侧的气体扩散层电极（GDE）或催化剂涂覆膜（CCM）和分别置于其两侧的气体扩散层（GDL）通过一定的工艺组合而成。典型FCV 动力系统拓扑结构图：（混合型燃料电池汽车，FC作主动力源，电池为辅助电源）温度压力流量湿度1.4 燃料电池空气供应系统控制技术空气供应系统拓扑结构关键问题1：空气供应背压和流量的相对独立控制对策：全工况范围内（高海拔，高功率，低功率）的 空气背压和流量的自适应鲁棒解耦控制技术系统辨识辨识点：序号1234