燃料电池汽车工作原理-现代汽车新技术

燃料电池是燃料电池汽车的核心部件。燃料电池汽车的工作原理如图3－13所示，当汽车起动时，燃料电池中的氢与大气中的氧气发生化学反应，释放电能带动电动机工作，电动机驱动机械传动结构，进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作，从而使电动汽车正常行驶。

图3－13　燃料电池汽车的工作原理

1.制氢

由于燃料电池是以燃料氢气和氧气通过电化学反应产生电能，因此需要制造原材料氢气。化学反应制氢法包括水蒸气重整制氢、重油不完全氧化制氢、等离子体热裂解制氢、煤气化制氢、甲醇制氢、电解水制氢、热化学循环分解水制氢、光催化分解水制氢、微生物制氢等。我国现主要利用钢铁厂和氯碱化工厂的副产氢制取高纯氢气、利用煤炭生产高纯氢气、通过电解水和光解水制氢。

燃料电池涉及的化学反应的代谢产物是水和少许热量，化学反应过程如下:

输出的能量:ΔG(298K)＝－273.2 kJ/mol

输入的能量:ΔH(298K)＝－289.84 kJ/mol

输出电压:U＝1.229 V

发电时生产的能量:Q＝ΔH－ΔG＝－16.64 kJ/mol

上式中，负号表示热量传出。燃料电池工作时，燃料供给负极，氧气供给正极。燃料电池内使用的电解质不同，正负极发生的反应也不同。根据化学特性，电解质可分为酸性介质、碱性介质和固体电解质。不同介质中的具体化学反应如下:(www.xing528.com)

(1)酸性介质时:负极H2＋2OH－→2H2O＋2e－

(2)碱性介质时:负极H2→2H＋＋2e－

(3)固体电解质:负极H2＋O2－→H2O＋2e－

质子交换膜燃料电池的具体工作原理如下:氢气供给燃料电池的阳极板(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，到达燃料电池的阴极板(正极)，而电子不能通过质子交换膜，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，电子到达阴极后，与氧原子和氢离子重新结合成水。由于供给阴极板的氧可以从空气获得，因此只需给阳极板不间断供应氢，给阴极板供应空气，并及时处理水蒸气，就可以持续获得电能。燃料电池发出的电能经过逆变器、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，就能够使汽车顺利行驶。

2.储氢

储氢法包括特高压气瓶、高压深冷液化氢瓶、可逆金属氢化物、物理吸附法和化合物储氢(纳米硼烷氨络合物)等，具体对比如表3－2所示。

表3－2　储氢方式对比

高压液化储氢消耗能量大且需要贵重隔热材料，推广难度较大，特高压气瓶、复合材料及无机化合物储氢能耗小，但安全技术还有待提高。氢气储存点应远离强氧化剂、高温区、有毒物质和高压电路。氢气密度小，车载储氢系统质量密度应大于5%。