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車用燃料電池技術 版權信息
- ISBN:9787030649942
- 條形碼:9787030649942 ; 978-7-03-064994-2
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數(shù):暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>>
車用燃料電池技術 內容簡介
質子交換膜燃料電池是一種通過電化學反應將燃料與氧化劑內的化學能直接轉化為電能的能量轉換裝置。其具有零污染、低噪音、功率密度高、負載響應快、能量轉化效率高等優(yōu)點,在軍事、航天、電動汽車、移動電源、分布式電站等領域得到越來越廣泛的應用。按照黨中央、國務院決策部署,自2009年以來財政部同有關部門大力支持新能源汽車產業(yè)發(fā)展。在新能源汽車領域,燃料電池汽車以其高效、清潔、安靜等優(yōu)點,被認為是21世紀很有發(fā)展前景的新能源優(yōu)選環(huán)保型汽車。本書緊跟政策與時代發(fā)展步伐,較全面的介紹了車載燃料電池技術。首先,本書深入淺出地對燃料電池發(fā)展史、燃料電池基本原理及特性、質子交換膜燃料電池核心部件等燃料電池基礎知識、科學原理進行了講解。隨后,對應用層面的車載燃料電池系統(tǒng)、燃料電池測試于表征、車載燃料電池特殊工況及問題進行了闡述。很后,對車載燃料電池燃料,氫的特性及安全進行了介紹。本書希望通過與讀者分享較全面的車載燃料電池技術知識,起到推廣燃料電池,推動燃料電池汽車行業(yè)發(fā)展的作用。
車用燃料電池技術 目錄
前言
第1章 燃料電池簡介 1
1.1 燃料電池的定義 1
1.1.1 與二次電池的比較 1
1.1.2 與內燃機的比較 3
1.2 燃料電池分類 4
1.2.1 質子交換膜燃料電池 4
1.2.2 固體氧化物燃料電池 6
1.2.3 熔融碳酸鹽燃料電池 7
1.2.4 磷酸型燃料電池 8
1.2.5 堿性燃料電池 9
1.3 燃料電池的優(yōu)缺點 10
1.4 燃料電池的歷史與應用 12
1.4.1 燃料電池的發(fā)展歷史 12
1.4.2 燃料電池的車載應用 13
1.4.3 燃料電池其他方面的應用 14
1.5 本章小結 15
思考題 15
參考文獻 16
第2章 燃料電池基本原理及傳輸特性 18
2.1 燃料電池熱力學 18
2.1.1 熱力學簡介 19
2.1.2 燃料電池的熱和功:能斯特方程 19
2.1.3 燃料電池的電極電勢 20
2.1.4 燃料電池的效率 21
2.2 燃料電池動力學 23
2.2.1 動力學簡介 23
2.2.2 燃料電池的反應速率:交換電流密度 24
2.2.3 燃料電池的反應電勢:伽伐尼電勢 25
2.2.4 燃料電池的極化特性 26
2.2.5 燃料電池動力學性能的改善 29
2.3 燃料電池電荷傳輸 29
2.3.1 燃料電池中的電荷轉移 30
2.3.2 燃料電池中的電荷傳輸阻抗分析 31
2.3.3 燃料電池電解質的種類與選擇 32
2.4 燃料電池質量傳輸 33
2.4.1 膜電極與流道間的質量傳輸 33
2.4.2 膜電極內部結構的質量傳輸 34
2.4.3 流道內部結構的質量傳輸 35
2.5 本章小結 36
思考題 37
參考文獻 37
第3章 質子交換膜燃料電池的核心部件 39
3.0 引言 39
3.1 膜電極 39
3.1.1 催化劑 40
3.1.2 質子交換膜 43
3.1.3 氣體擴散層 44
3.1.4 三合一膜電極制備工藝 47
3.2 雙極板 51
3.2.1 材料選取 52
3.2.2 流場設計 54
3.3 密封件 56
3.4 端板 56
3.5 本章小結 57
思考題 57
參考文獻 57
第4章 車用燃料電池系統(tǒng) 60
4.0 引言 60
4.1車載質子交換膜燃料電池電堆及系統(tǒng) 60
4.1.1 質子交換膜燃料電池電堆結構 60
4.1.2 質子交換膜燃料電池電堆裝配 61
4.1.3 車載質子交換膜燃料電池電堆設計 63
4.1.4 車用燃料電池系統(tǒng)結構及分類 64
4.2 氫氣供應子系統(tǒng) 67
4.2.1 儲氫罐 69
4.2.2 減壓閥和截止閥 71
4.2.3 氣液分離器 71
4.2.4 引射器和氫氣循環(huán)泵 72
4.3 空氣供應子系統(tǒng) 74
4.3.1 空氣過濾裝置 74
4.3.2 空氣壓縮機 76
4.3.3 壓力傳感器 78
4.3.4 加濕模塊 82
4.4 水熱管理子系統(tǒng) 84
4.4.1 燃料電池水管理系統(tǒng) 85
4.4.2 燃料電池熱管理系統(tǒng) 87
4.4.3 水冷裝置 88
4.4.4 輔助加熱裝置 90
4.5 電控子系統(tǒng) 91
4.5.1 功率二極管 91
4.5.2 開關器件 92
4.5.3 逆變器 93
4.5.4 輔助電源 94
4.5.5 升壓變換器 95
4.5.6 電動機 96
4.6 本章小結 97
思考題 97
參考文獻 97
第5章 燃料電池測試與表征 100
5.0 引言 100
5.1 燃料電池測試準備步驟 100
5.1.1 檢查組件連接 100
5.1.2 燃料電池活化 101
5.1.3 測試步驟 102
5.2 極化曲線 102
5.2.1 開路電壓 102
5.2.2 活化極化 103
5.2.3 歐姆極化 103
5.2.4 傳質極化 104
5.3 電化學阻抗譜 104
5.3.1 Nyquist圖 104
5.3.2 Bode圖 106
5.3.3 其他電阻測試方法 106
5.4 循環(huán)伏安圖 107
5.4.1 氫氧化與氧還原反應 108
5.4.2 具體應用 108
5.5 線性掃描伏安法 109
5.5.1 極限電流密度 109
5.5.2 具體應用 110
5.6 燃料電池分區(qū)測試技術 111
5.6.1 電阻網(wǎng)絡技術 111
5.6.2 印刷電路板測試技術 112
5.6.3 電磁感應技術 117
5.7 燃料電池組件表征 117
5.7.1 形貌表征 117
5.7.2 光譜分析 119
5.7.3 結構分析 124
5.8 本章小結 126
思考題 127
參考文獻 128
第6章 車用燃料電池工況 131
6.1 車載 PEMFC電堆的開發(fā)目標 131
6.2 燃料電池動態(tài)工況 135
6.2.1 美國能源部動態(tài)測試協(xié)議 135
6.2.2 新歐洲駕駛循環(huán) 136
6.2.3 動態(tài)工況下 PEMFC性能衰減機制分析 137
6.3 啟停工況與耐久性 137
6.3.1 啟停工況衰減機制 138
6.3.2 延長燃料電池啟停壽命的方法 139
6.4 冷啟動 140
6.4.1 電堆冷啟動機制及冷啟動特性研究 141
6.4.2 冷啟動過程衰減特征 142
6.4.3 電堆低溫啟動策略 144
6.5 本章小結 146
思考題 146
參考文獻 147
第7章 氫氣特性及安全 148
7.1 氫氣的性質 148
7.1.1 泄漏性 148
7.1.2 氫脆 150
7.1.3 氫擴散 150
7.1.4 易燃性 151
7.1.5 點火能 152
7.1.6 爆炸性 154
7.1.7 液氫的特殊性質 155
7.2 氫氣的制備 156
7.2.1 化石燃料制氫 157
7.2.2 工業(yè)副產制氫 162
7.2.3 電解水制氫 163
7.2.4 其他制氫技術 168
7.2.5 氫氣的提純 176
7.3 氫氣儲運方式 181
7.3.1 氫氣儲存 181
7.3.2 氫氣運輸 187
7.4 氫安全 189
7.4.1 車載氫安全 189
7.4.2 故障模式風險評估 190
7.4.3 氫氣安全使用的一般措施 193
7.5 本章小結 194
思考題 195
參考文獻 195
附表A 本書常用縮略詞中英文對照表 197
附表B 本書常數(shù)表 199
車用燃料電池技術 節(jié)選
第1章 燃料電池簡介 1.1 燃料電池的定義 燃料電池( fuel cell,F(xiàn)C)是一種能量轉換裝置,它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術 [1]。按照電化學原理,將存儲在燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能[2]。以氫氧燃料電池為例,其內部發(fā)生的化學反應 如下: 陽極反應: (1-1) 陰極反應: (1-2) 總反應: (1-3) 如圖1.1所示,氫離子從陽極側經(jīng)過電解質向陰極側遷移,電子則通過外電路定向流動、做功,構成一個完整的回路。氧化劑( O2)發(fā)生還原反應的電極稱為陰極,相對于外電路按原電池定義為正極。還原劑或燃料( H2)發(fā)生氧化反應的電極稱為陽極,相對于外電路定義為負極。燃料電池與常規(guī)的電池不一樣,它的燃料和氧化劑儲存在電池外部的儲罐中,而非儲存在電池內部。當輸出電流做功時,需要不停歇地向電池內部輸入足夠的燃料和氧化劑,與此同時排出反應產物以保證電池的正常運行。因此,從工作方式上,燃料電池類似常規(guī)的汽油發(fā)電機或柴油發(fā)電機[3,4]。 1.1.1 與二次電池的比較 二次電池又稱充電電池和蓄電池,是指在電池放電后可通過充電的方式使活性物質激活而繼續(xù)使用的電池。市場上的充電電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池等。鋰離子電池是采用兩種能夠可逆地嵌入脫出鋰離子的材料作為正極和負極,其充放電工作原理如圖1.2所示。在充放電過程中,因為 Li+在兩個電極之間往返運動,所以鋰離子電池也被形象地稱為“搖椅電池(rocking chair battery)”[5,6],其電極反應如下: 圖1.1 燃料電池工作原理示意圖 圖1.2 鋰離子電池工作原理示意圖 正極: (1-4) 負極: (1-5) 總反應: (1-6) 同為新能源電池,鋰離子電池是一種儲能裝置,而燃料電池是一種發(fā)電裝置。在能量密度和壽命方面,燃料電池優(yōu)于鋰離子電池,而在成本方面,燃料電池比不上鋰離子電池。在安全性與法規(guī)方面,燃料電池和鋰離子電池均能滿足使用需求。在應用前景方面,短期內鋰離子電池比燃料電池更方便,長期來看燃料電池比鋰離子電池更具有發(fā)展前景[7,8]。 1.1.2 與內燃機的比較 內燃機又稱發(fā)動機、熱力發(fā)動機或熱機,一種通過燃料在氣缸內燃燒將化學反應釋放的熱能轉化為機械能的動力機械,由機體、曲柄連桿機構、配氣機構、燃油供給系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、電器設備和起動裝置等組成。內燃機按使用燃料分為煤氣機、汽油機和柴油機;按結構分為往復活塞式和旋轉活塞式;按工作循環(huán)的行程分為四行程和二行程;按進氣方法分為自然吸氣和增壓兩種[9,10]。 相比于內燃機,燃料電池的優(yōu)勢如下:燃料電池發(fā)電過程不涉及燃燒,因而不受卡諾循環(huán)的限制,能量轉化效率高于傳統(tǒng)內燃機(FC:理論效率> 80%,實際效率為40%~60%);低排放且環(huán)境友好,如果使用氫作為燃料,則可達零排放;燃料選擇多樣化,不僅可以選擇氫氣還可用醇類、天然氣等作為燃料;發(fā)電單元模塊化、無機械回轉部件、可靠性高、工作時較為安靜。但燃料電池存在著如下缺點:氫燃料難以獲取且不易存儲,整體技術成熟度較低;高溫工作時穩(wěn)定性及壽命有待提升;關鍵材料及電池裝置成本較高;對電池系統(tǒng)的控制要求更為精確化。目前燃料電池由于技術水平、制造成本及燃料制取儲備等原因尚未得以廣泛應用,在未來的相當一段時間內,內燃機仍會占據(jù)主流車用動力市場。但是,隨著化石能源的日漸枯竭及相關技術的不斷完善,燃料電池必將會在車用動力裝置中占據(jù)一席之地[11,12]。 1.2 燃料電池分類 迄今已開發(fā)研究出很多類型的燃料電池。昀為常用的分類方法是按照電池所采用的電解質分類。據(jù)此,可將燃料電池分為質子交換膜燃料電池,一般以全氟的磺酸型質子交換膜為電解質;固體氧化物燃料電池,以固體氧化物為氧離子導體,如以氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯膜為電解質;熔融碳酸鹽燃料電池,以熔融的鋰-鉀碳酸鹽或鋰-鈉碳酸鹽為電解質;磷酸型燃料電池,以濃磷酸為電解質;堿性燃料電池,一般以氫氧化鉀為電解質。有時也按電池工作溫度對電池進行分類,分為低溫(<100℃)燃料電池,包括堿性燃料電池和質子交換膜燃料電池;中溫燃料電池(100~300℃),包括培根型堿性燃料電池和磷酸型燃料電池;高溫燃料電池( 600~1000℃),包括熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池[13,14]。 各種燃料電池分類標準見表 1.1。 表1.1 燃料電池的分類[2] 1.2.1 質子交換膜燃料電池 質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)以全氟磺酸型固體聚合物為電解質,鉑/碳、鉑-鈷/碳、鉑-鎳/碳等為電催化劑,氫或凈化重整氣作為燃料,空氣或純氧作為氧化劑。其內部發(fā)生的電化學反應如下: 陽極反應: (1-7) 陰極反應: (1-8) 總反應: (1-9) PEMFC中的電極反應類同于其他酸性電解質燃料電池。陽極催化層中的氫氣在催化劑作用下發(fā)生電極反應(1-7),該電極反應產生的電子經(jīng)外電路到達陰極,氫離子則經(jīng)過質子交換膜到達陰極。氧氣與氫離子及電子在陰極發(fā)生反應生成水。生成的水不稀釋電解質,而是通過電極隨尾氣排出。圖1.3為單個PEMFC的結構示意圖。PEMFC的“心臟”是膜電極( membrane electrode assembly,MEA),它由質子交換膜(proton exchange membrane,PEM)、陰極/陽極催化層(catalyst layer,CL)和陰極/陽極氣體擴散層(gas diffusion layer,GDL)組成[15,16]。 圖 1.3 單個 PEMFC的結構示意圖 PEMFC除了具有燃料電池的一般特點(如能量轉化效率高、環(huán)境友好等)之外,還具有在低溫下冷啟動、無電解液流失、反應生成水易排出、壽命長、比功率與比能量高等優(yōu)點。因此,PEMFC不僅可用于分散電站的建設,還特別適用于可移動動力源,是新能源電動車和不依靠空氣推進潛艇的理想候選電源之一,是軍民通用的一種新型可移動動力源,也可成為利用氯堿廠副產物氫氣發(fā)電的候選電源。在將來以氫作為主要能量載體的氫能時代,它將是昀佳的家庭動力源[17,18]。 1.2.2 固體氧化物燃料電池 固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell,SOFC)工作原理如圖1.4所示。SOFC采用一種薄的陶瓷膜作為電解質。陶瓷膜電解質高溫下具有傳遞O2–的能力,在電池中起傳遞O2–和分離空氣、燃料的作用,其內部發(fā)生的電化學反應如下: 陽極反應: (1-10) 陰極反應: (1-11) 總反應: (1-12) 圖 1.4 SOFC工作原理圖 SOFC陰極(空氣電極)氧分子得到電子被還原成氧離子[式(1-11)],氧離子在電勢差和濃度差驅動力的作用下,通過電解質中的氧空位定向躍遷,遷移到陽極(燃料電極)上與燃料發(fā)生氧化反應。以氫氣為燃料時,陽極反應見式(1-10)。 在所有的燃料電池中,SOFC的工作溫度昀高(900~1000℃),屬于高溫燃料電池。近些年來,分布式電站由于其成本低、可維護性高等優(yōu)點已經(jīng)漸漸成為世界能源供應的重要組成部分。由于SOFC發(fā)電的排氣有很高的溫度,具有較高的利用價值,可以提供天然氣重整所需熱量,也可以用來生產蒸汽,更可以和燃氣輪機組成聯(lián)合循環(huán),適用于分布式發(fā)電。燃料電池和燃氣輪機、蒸汽輪機等組成的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)不但具有較高的發(fā)電效率,同時也具有低污染的環(huán)境效益[19, 20]。
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