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工业动画分享——3分钟,读懂氢燃料电池的工作原理!

2021-01-28 阅读 271

随着全球化石燃料消耗量日益增加,对于清洁能源的应用需求日益增加。氢能来源丰富,可以高效转化,使用过程无排放污染,作为二次能源的载体,在工业、交通等领域中有重要前景。从1968年通用汽车设计生产了d一辆氢燃料电池汽车开始,将氢能应用于交通出行一直是解决环境污染和能源供需问题的重要途径。随着近年来新能源汽车的发展趋势日益强劲,燃料电池汽车也得到越来越多的关注。


丰田汽车公司在2014年12月推出的氢燃料电池汽车Mirai,作为全球d一款量产的氢燃料电池车,在技术领域与氢燃料电池等方面具有较大的参考意义和分析价值。

中国汽车技术研究中心有限公司数据资源中心于2017年购入Mirai,并对其进行了长期的整车性能分析试验。燃料电池系统是本款车的核心部件。


氢氧燃料电池,以氢气为负极,以氧气为正极,通过一系列化学反应将燃料转化为电能,是一个无穷尽的能量转换装置,而非能量提供者,由于其具有转换效率高、排放废弃物少、功率范围广、容量大、无需充电、噪音低等特点,现已在移动电源、应急电源、家庭电源、电厂发电、飞机、军事、潜艇等方面具有广泛应用,但其也具有结构复杂、价格昂贵等缺点,限制了其进一步的发展。


工作原理如下图所示,氧气由进气格栅进入到燃料电池中,氢气通过储氢罐进入到燃料电池中,二者在燃料电池中发生反应,从而产生电能通过电机驱动汽车行驶。

燃料电池的基本原理请参考下图,简单来说就是电解水的逆反应。把氢气和氧气分别供给阳极和阴极,氢通过Pt催化剂生成氢离子,失去的电子通过外电路到达阴极,产生电能;与此同时,阳极侧的氢离子通过质子交换膜到达阴极与氧气反应生成水。看似简单的原理,实则并不是那么简单。

以直行单流道单体质子交换膜燃料电池为研究对象,借助于CFD软件的PEM模块对不同工作环境下(工作压力、工作温度和湿度)下的电池进行数值模拟,研究低电流密度条件下压力、温度和湿度对燃料电池性能的影响程度。


质子交换膜燃料电池的组成部分主要包括阳极集流板、阴极集流板、阳极气体流道、阴极气体流道、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层、阳极催化剂层、阴极催化剂层和质子交换膜,其中气体流道为单直行流道。

近年来,我国在能源方面进行了战略性调整,将研究开发的重点逐渐转向氢能,其中,汽车工业的氢燃料电池利用氢能研发进展较快,目前我国的燃料电池商用车已进入产业化发展的初期阶段,为加强竞争力以更好参与全球燃料电池产业和技术市场,应提高燃料电池关键材料与核心组件、加氢站核心部件和关键技术的国产化率,推动燃料电池汽车制造和加氢站建设成本的大幅降低。在氢资源丰富的地区率先开展燃料电池汽车的商业化推广,有效降低氢气使用成本;随后通过技术提升和市场辐射,带动我国氢能燃料电池产业的整体技术进步和产业发展。