燃料电池在新能源客车中的应用研究论文
燃料电池在新能源客车中的应用研究论文
燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。但是，它需要电极和电解质以及氧化还原反应才能发电。以下是学习啦小编为大家精心准备的：燃料电池在新能源客车中的应用研究相关论文。内容仅供参考，欢迎阅读!
燃料电池在新能源客车中的应用研究全文如下：
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料电池汽车的工作原理是：使作为燃料的氢在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧发生化学反应，产生出电能发动电动机，由电动机带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前后方向轴、后桥等行走机械结构，转动车轮驱动汽车。与传统汽车相比，燃料电池车优点突出，主要为零排放或近似零排放，燃料来源广泛，减少了机油泄露带来的水污染，降低了温室气体的排放，提高了燃油经济性，环境适应性强，提高了发动机燃料效率且运行平稳、无噪声，成为近年来研究的热点。
1 燃料电池的由来
1939年英国William Robert Grove进行水的电解实验，将水分解为氢气和氧气，由此想到其逆反应，使氢气和氧气反应就有可能产生电。为证实这一理论，他将两条白金带分别放入两个密封瓶中，一个瓶中装有氢气，一个瓶中装有氧气，当把这两个密封瓶放入稀释的硫酸溶液中时，电流开始在两个电极之间流动，瓶中生成了水。为提升电压，他将四组装置串联起来，这就是全世界公认的第一个燃料电池。
2 燃料电池的优缺点
燃料电池具有非常独特的优点，主要表现在：能量转化效率高，可直接将化学能转化为电能;运行平稳、无噪声;零排放或近似零排放，减少了机油泄露带来的水污染，降低了温室气体的排放;提供的动力可随时启停，可通过控制燃料实现。
虽然燃料电池有着独特的优势，但其自身也存在一些严重的不足：成本昂贵;燃料的存储困难，一般是使用氢气做燃料，氢气的体积能量密度较低，且具有一定的安全隐患，导致存储异常困难;对工作环境的要求高，对温度、环境的洁净度等也有较高要求。
基于燃料电池以上的特点，燃料电池在新能源客车的批量应用还有很长一段路要走，只有从技术上解决这些瓶颈问题，燃料电池车才能得以批量推广。
3 燃料电池的分类
燃料电池按电解质类型分为质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、碱性燃料电池、磷酸盐燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池等。
3.1 质子交换膜燃料电池
质子交换膜一般是一种质子导体聚合电解膜，常见的是氟化磺酸基聚合物。质子交换膜燃料电池的聚合物膜厚度只有20～200μm，两边各自覆盖一层铂催化剂和多空的碳电极支撑材料。因为聚合物膜必须水合以保持足够的电导率，所以其工作温度必须限制在90℃以下。质子交换膜燃料电池在所有的燃料电池中功率密度最高，有利于在新能源客车上应用及推广;可以低温运行，便于新能源客车实现快速启停;另外固态的电解质不变化、不迁移、不气化，有效延长了电池的使用寿命;单体电池电压高，有利于进行整合用于装车。缺点主要是使用昂贵的铂催化剂，对CO和S比较敏感，微量的CO和S容易造成催化剂中毒。但因其显著的优势，目前已在新能源车上得以应用，并取得一定的运营效果。
3.2 固态氧化物燃料电池
固态氧化物燃料电池使用固体陶瓷电解质，最常见的是氧化钇和氧化锆的混合物。固态氧化物燃料电池燃料选择非常灵活，使用非贵重金属催化剂，电解质简单易得，有相对较高的功率密度。但突出的缺点是工作温度较高，不易实现。
3.3 碱性燃料电池
碱性燃料电池使用氢氧化钾水溶液电解质，根据其浓度不同，碱性燃料电池可以在60℃～220℃下工作。碱性燃料电池有望使用非贵重金属催化剂替代铂催化剂，材料成本低廉。但是需要使用高纯氢气和氧气做燃料和氧化剂，不断补充电解质，并需要及时排除阳极生成的水。
3.4 磷酸盐燃料电池
磷酸盐燃料电池使用液态磷酸作为电解质，液态磷酸会不断挥发，所以要求在工作时需要不断加入磷酸。磷酸盐燃料电池技术较成熟，电解质成本低，可靠性较好。但需要使用昂贵的铂催化剂，对CO和S比较敏感，并需要不断补充电解质。
3.5 熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池的电解质是一种固定在LiOAlO2基体中的碱性碳酸盐，碳酸锂和碳酸钾的熔融混合物。熔融碳酸盐燃料电池燃料选择多，使用非贵重金属催化剂，但必须提供CO2循环，因为电解质具有熔融性和腐蚀性，需要使用耐腐蚀材料。
五种燃料电池使用不同的电解质，所发生的化学反应、工作温度、电池的材料及设计、优缺点各有不同。其中质子交换膜燃料电池由于工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便，被公认为电动汽车的首选燃料电池。
4 燃料电池的工作原理
以质子交换膜燃料电池为例，简单介绍其工作原理。质子交换膜燃料电池主要由端板、绝缘板、集流板、密封圈、双极板、膜电极组件MEA、扩散层、冷却通道组成。
在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子形成回路，向外界提供电流。反应过程是水的电解的逆反应过程：它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质板所组成。工作时向负极供给燃料(氢)，向正极供给氧化剂(空气)。在负极上，燃料分解成氢离子和电子e-。氢离子进入电解质中，而电子则沿外部电路移向正极。在正极上，空气中的氧同电解质中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。
5 燃料电池在新能源客车上的应用
燃料电池车按照驱动形式分为纯燃料电池驱动和混合驱动。混合驱动按照辅助动力源分为燃料电池+蓄电池，燃料电池+超级电容，燃料电池+蓄电池+超级电容。按照燃料电池功率分为功率混合型和能量混合型。
5.1 纯燃料电池驱动车构型
燃料电池作为单一动力源，经DCDC带动电机驱动整车行驶，结构简单，但是燃料电池功率要求大，成本昂贵，由于燃料电池作为唯一动力源，所以对燃料电池的性能和可靠性要求高，不能进行制动能量回收。
5.2 燃料电池+蓄电池混合驱动车构型
燃料电池和蓄电池均为整车动力源，燃料电池经DCDC带动电池驱动整车行驶，蓄电池也可驱动整车行驶，进行制动能量回收，并用于空压机等部件工作，电堆加热，气体加湿。此构型降低了燃料的功率要求、成本，并可实现制动能量回收，但是增加了系统复杂性和蓄电池的维护成本。
5.3 燃料电池+超级电容混合驱动车构型
燃料电池和超级电容均为整车动力源，燃料电池经DCDC带动电机驱动整车行驶，与蓄电池相比，超级电容寿命长、效率高、成本低，但由于其容量小，制动能量回收能量有限。
5.4 燃料电池+蓄电池+超级电容混合驱动车构型
燃料电池、超级电容、蓄电池均为整车动力源，燃料电池经DCDC带动电机驱动整车行驶，与以上构型相比，超级电容可提供加速或吸收紧急制动的尖峰电流，减轻蓄电池的负担，延长蓄电池的寿命，但复杂程度高、控制复杂。
6 结语
燃料电池因其独特的优点成为新能源车的终极发展目标，因此我们需要加强对燃料电池的深入研究，为燃料电池商业化奠定基础。
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