钜大LARGE | 点击量：975次 | 2021年12月09日
汽车研发：燃料动力电池的应用与开发！
在这个“狼多肉少”的汽车界，大部分老司机们大学的时候班上木有妹子，工作后还是木有，所以漫谈君我总是在开头给大家发发福利，这次就给大家派送下面这位小姐姐了，以弥补“资源短缺”的无赖和缺憾。说到汽车界妹子的“资源枯竭”，又让我想到了石油资源枯竭，这是真Dan痛的事，大家都在想各种各样的能源解决方法，其中有一个很火的资源是燃料动力锂电池，这是可再生的能源。
一、什么是汽车燃料动力锂电池
燃料动力锂电池是一种新型的无污染、无噪音、高效率、大功率的汽车动力以及发电设备。燃料动力锂电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能持续不断地直接转化为电能的电化学装置。燃料动力锂电池作为一种环保节能新能源，深受人们的重视。
燃料动力锂电池（fullCell）在原理和结构上和普通电池（battery）完全不同。燃料动力锂电池的活性物质是存储在电池之外，只要不断地供给燃料和氧化物就一直能发电，因而容量是无限的。而电池的容量是有限的，活性物质一旦消耗完，电池的寿命就终止。
二、燃料动力锂电池的优点
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
在实践中发现，燃料动力锂电池具有一定的优点：
1.燃料动力锂电池在工作过程中不受热机效率的限制，其能量转换效率相对较高。
在理论上来说，其发电效率可以达到百分之百。假如将氢气作为重要燃料，熔融碳酸盐燃料动力锂电池在应用中的实际效率高达58.4%。利用热电联产以及联合循环综合等形式对电能进行使用，燃料动力锂电池的整体热效率可以高达80%以上。燃料动力锂电池发电效率与使用规模并没有太大的关系，一些小型设备也可以达到一定的高效率。
2.无污染，噪音低，是一种绿色新能源。
3.在热备用状态之下，其负荷变化能力相对较强，在每秒钟可以基于50%的负荷展开相应的变化。
4.燃料动力锂电池的存储能力与自身体积的大小没有关系。
5.具有高度的灵活性，在操作中可以根据具体的需求进行定制，可以组装成不同模式的发电装置，在各种场合均可以应用。
6.燃料使用范围较为广阔，基于燃料重整器以及相关燃料动力锂电池、电堆组成的燃料动力锂电池电站可以通过各种气态化石燃料（天然气，LPG等），液态化石燃料（柴油，甲醇等）供应供给。
三、燃料动力锂电池的工作原理
燃料动力锂电池在应用过程中，重要利用各种燃料以及氧化剂电化学反应等出现各种电能以及副热能。其中FC重要是通过燃料电极的负极以及氧化剂电极的正极与电解质共同构成的，电解质的用途就是对两个电极进行隔离，燃料以及氧化剂在燃料电极以及氧化剂的电极中进入到电池内部；在燃料动力锂电池工作中燃料的负极处会发生一定的氧化反应，而氧化剂在正极的接触处会发生一定的还原反应。
也就是说，在外电路会出现一定的电位差，引起电子的外电路流动的出现，进而造成一定的低压直流电。在电池内部的电荷载体通过电解质完成相关工作，进而出现一定的水和二氧化碳。假如持续保持燃料供给，电池就会保持持续发电。
四、燃料动力锂电池的重要分类
现阶段重要应用的燃料动力锂电池类型重要有：
1磷酸类别的燃料动力锂电池
磷酸类别的燃料动力锂电池（PAFC）是一种相对完善的民用技术电池。重要是通过H2以及钴含量小于0.1%的组成作为重要燃料，其中空气作为氧化剂，电解质重要是通过磷酸溶液以及电解质机体构成的其中电极是通过催化剂铂系金属与碳黑载体共同组成的。PAFC在工作过程中的温度在200℃左右，其发电效率约为40%左右。此种燃料动力锂电池的余热利用价值相对较低，且启动时间相对较长，无法作为移动电力电源。
2熔融碳酸盐类别的燃料动力锂电池
熔融碳酸盐类别的燃料动力锂电池（MCFC）是一种高温燃料动力锂电池，实际的工作温度为600～700℃。通过一些多孔金属阳极、多孔氧化物的阴极、电解质板以及导电双极板等共同组成。重要燃料为H2、煤气或天然气，其氧化剂为氧气或者空气以及CO2的混合气体其中电解质是熔融碳酸盐Li2CO3－K2CO3，在电极反应中的相关载荷子为CO3-。
因为MCFC的工作温度相对较高，其余热有一定的利用空间。同时，因为其可以用于容量相对较大的中心电站，也可以进行火力发电并行以及取代火力发电的发展可能。
3固体氧化物类别的燃料动力锂电池
固体氧化物类别的燃料动力锂电池（SOFC）重要基于氧化钇为稳定化的氧为电解质，其中锶掺杂的锰酸镧作为其氧化剂电极，镍电解质作为阳极的一种全固态陶瓷结构。
4质子交换膜类别的燃料动力锂电池
质子交换膜类别的燃料动力锂电池（PEMFC）被称为第五代新型燃料动力锂电池,相有关其他类别的燃料动力锂电池来说，其工作温度相对较低，其启动速度、比能、使用寿命与应用等都具有一定的优势，发展相对较为迅速，质子交换膜型燃料动力锂电池基于全氟磺酸型固体聚合物作为电解质，其中将Pt/C或者Pt-Ru/C作为一种电催化剂，H2以及相关净化重整气作为重要燃料，将空气或者纯氧作为氧化剂。
基于质子交换膜燃料为主的电池作为重要动力的电动汽车已经取得一定的研究成果，其性能可以与传统的内燃机相比，但是售价相对较高，这种燃料动力锂电池电动汽车是美国政府以及相关大汽车公司未来发展的重点。
五、燃料动力锂电池结构及反应
燃料动力锂电池是将储存在燃料和氧化剂中的化学能，通过电化学反应转化为电能的装置。每个燃料动力锂电池单体由膜电极（包括质子交换膜、阴极扩散层、阳极扩散层、阴极催化剂层、阳极催化剂层）、集流板组成，结构如下图所示：
下面以氢-氧燃料动力锂电池为例，介绍燃料动力锂电池电化学反应步骤：经增湿后的氢气和氧气分别进入阳极室和阴极室，经气体电极扩散层扩散，到达催化层与质子交换膜的界面，分别在催化剂用途下发生氧化和还原反应。阳极的催化剂将氢分子电离，生成氢离子（H+），氢离子透过质子交换膜到达阴极，与氧结合，生成水；同时，阳极反应生成的电子，通过外部电路形成电流，到达阴极。
其反应的机理可以用方程式来表示：
与其它类型的燃料动力锂电池相比，PEMFC效率高、结构紧凑、重量轻、比功率高、无腐蚀性、不受二氧化碳的影响，工作温度低，大约是80～90℃,可用甲醇、汽油等碳氢化合物重整气,功率密度已达1310W/L，明显高于其它类型的燃料动力锂电池，是燃料动力锂电池电动汽车动力源的首选。
六、使用各种燃料动力锂电池的电动汽车
2001年以来，在世界范围内燃料动力锂电池技术已经取得了重大的进展。在开发燃料动力锂电池汽车中仍然存在着技术性挑战，如燃料动力锂电池组的一体化，提高商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力，并已取得了显著的进步。
1以氢为燃料的燃料动力锂电池电动汽车
1）氢燃料的优点
根据氢-氧燃料动力锂电池的反应机理可知，使用氢燃料的燃料动力锂电池电动汽车实现了真正意义的零排放，无污染；该类型的燃料不要重整过程，故此以氢为燃料的燃料动力锂电池的效率最高。
下图为燃料动力锂电池系统效率随功率变化曲线：
由于氢-氧燃料动力锂电池系统不要重整设备，降低了燃料动力锂电池系统的重量、体积、制造成本及结构的复杂性；从长远来看，氢是燃料动力锂电池燃料的最佳选择。
以氢为燃料的燃料动力锂电池电动汽车具有许多优点，但是氢的供给设施、随车储存、安全性等问题是以氢为燃料的燃料动力锂电池电动汽车推广应用的障碍。
2）直接使用车载氢燃料的缺点
A.压缩氢气存储空间问题
在常温，常压下，存储相同质量的氢气所占的空间是汽油的几千倍（1个大气压下，氢气密度为0.10g/L，200个大气压下，氢气密度为0.02kg/L汽油密度0.70kg/L）。采用高压储氢储存方式，储存压力若为200个大气压，存储所需空间明显降低，但仍是汽油的几十倍。
若从存储所需空间考虑，比较理想的储氢方式是采用液态储氢，液氢的密度为0.07kg/L，当压力为690个大气压时，储存相同质量的高压氢气所需的空间与液氢的相等，根据目前储氢容器技术的发展现状，容器压力指标可以达到345个大气压。
B.液化氢存储的能耗和蒸发问题
液化储存面对两大技术难点，一是氢液化能耗大，工程实际中，氢液化消耗的能量占液化氢能的30%二是液氢储存容器的绝热问题，由于储槽内液氢与环境温差大，液氢的蒸发损失比较严重，若是一段时间不使用液化的氢，那么液氢可能由于蒸发损失被消耗。
C.存储的安全性及系统效率
高压储氢压力较高，安全性差，而且在压缩的过程中消耗一部分能量，降低了系统的效率；若采用液化储氢，当液氢罐中液氢即将消耗完毕时，不可防止地使温度升高，造成液氢的缓慢蒸发，导致液氢罐中压力升高，所以为防止发生危险，必须定期地排掉蒸发的氢气，但排气的同时，又会降低系统的效率。
D.氢燃料的供给设施
目前氢燃料的供给设施匮乏，不能满足推广以氢为燃料的电动汽车的要。
尽管与同类其它燃料动力锂电池电动轿车相较，以氢为燃料的电动轿车的成本较低、效率较高，但是以氢为燃料的燃料动力锂电池电动汽车目前面对许多的问题，人们在以氢为燃料的燃料动力锂电池汽车的研发过程中，也进行了以甲醇、汽油等为燃料的燃料动力锂电池汽车的研发。
2以甲醇为燃料的燃料动力锂电池电动汽车
1）甲醇重整燃料动力锂电池反应机理
甲醇经过重整，重整产物为氢气、碳氧化物。
甲醇在重整器中发生的反应如下:
重整的产物经过处理后，作为燃料输送到燃料动力锂电池堆进行电化学反应，该步骤的反应机理与氢燃料动力锂电池的相同。
2）采用甲醇作为燃料的优势
A.甲醇资源丰富，天然气，城市垃圾，含碳物质等均可以制取甲醇。
B.在目前几种重整燃料中，甲醇的重整温度较低，大约在280℃。
C.传统的燃料供给站比较容易改造为甲醇燃料供给站，不要额外安全设施，有利于燃料动力锂电池汽车的推广。
D.甲醇能量密度较高，一次加注燃料的行驶里程可与传统的内燃机汽车相媲美。
3）采用甲醇作为燃料具有几个缺点
虽然采用甲醇作燃料有诸多的优点，除了毒性、腐蚀性等本身的物理特性外，由于重整过程的存在，带来了以下负面影响：
A.新增结构的复杂性及系统的重量及成本
甲醇重整燃料动力锂电池与氢燃料动力锂电池相比，附加了重整器，新增了系统的重量、成本及结构复杂性，同时与传统的车型相比降低了整车的可用空间。
B.能量损失
根据甲醇重整机理，在重整过程中，首先将甲醇汽化，甲醇汽化消耗了系统的能量。
C.环境污染
甲醇的重整过程出现了CO，CO2等碳氧化物及氮氧化物，造成了环境污染。
除甲醇重整燃料动力锂电池外，各国也在研发直接甲醇燃料动力锂电池。直接甲醇燃料动力锂电池与甲醇重整燃料动力锂电池的反应机理迥然不同，甲醇不需重整，可以直接在燃料动力锂电池堆内进行电化学反应。由于不要进行甲醇重整和去除CO，可以降低甲醇燃料动力锂电池系统的成本、重量，而且简化系统结构。
直接甲醇燃料动力锂电池与甲醇重整燃料动力锂电池相比，在技术上尚未成熟。尽管以甲醇为燃料的燃料动力锂电池成本较高，技术复杂，但是从能源、燃料的安全性，目前的重整技术、燃料动力锂电池研发现状及燃料的供给设施而言，甲醇燃料在几种燃料中肩负着重要的使命。
3燃料动力锂电池汽车开发的技术难点
有关燃料动力锂电池电动汽车来说，首要的困难就是燃料动力锂电池价格太昂贵，每千瓦电能约需2700～5400美元，光是一个30kW燃料动力锂电池就要十几万美元。而研究表明，燃料动力锂电池只有使用纯氢才能走向实用化，但是要使燃料动力锂电池汽车使用纯氢困难重重。单是制氢就颇让人头疼，假如用天然气制氢，会出现大量的二氧化碳，不利环保，但假如采用电解水的方法制氢，则又面对电力不足的困扰，看来将来只能寄希望于核能发电或太阳能发电等技术的重大突破了。
另一个使用纯氢的关键问题是氢气在汽车上的储存问题，如燃料动力锂电池直接使用氢气，由于氢气能量密度很小，一次充装的行驶里程有限，现已知的高压储氢的方法下，汽车的续驶里程不超过300公里。为获得足够的行程，大约要利用车身空间的25%～30%来存放氢气。如燃料动力锂电池由汽油或甲醇来供应氢气，则车上需装备重整器，由于启动时，制取氢气和电化学反应速率缓慢，又要新增一个辅助动力源（如蓄电池、电容器）。这样一来，一辆燃料动力锂电池汽车要比相同尺寸的内燃机汽车新增400kg质量。
目前，最有效的储氢方法是将液态氢储放在合适的存储罐内安放在车上。液氢的存储罐系统比普通汽油储箱要复杂，必须邂免外界的传热，以尽量减少氢的蒸发损失。重要的装备是一个真空绝热双层壁不锈钢容器。
此外，在两层壁之间还有许多层铝箔，以防止由于辐射造成的传热。除了以液态的方式进行车载储存外，也可以在合适的压力容器内以气态方式储存氢，但是该方法有一定缺点。例如，即便氢气已经过高度压缩，其比容量能量密度仍然偏低，因此气缸或气罐的体积都必须比液氢系统所用的大很多。
还有两种氢的储存方法也在研讨中：
1）金属氢化物技术
合金充当氢的载体，氢被储放在金属原子间的空隙中。这种方法有很高的比体积储存容量，在使用过程中也非常安全。但是在发挥这些优点之前，首先必须克服这种方法存在的一个基本缺陷：载体重量同其储氢量相比实在是太高了。
2）纳米碳存储的技术
在该方法中，氢原子存放在显微水平细小的碳结构内。纳米是长度单位，相当于四倍于原子直径的距离。从长远的观点看，研究员和工程师们都对这种方法应用于机动车寄予希望。
以下为几种储氢方式比较：
几种储氢方式比较，常温下的高压储氢在目前是比较可行，假如碳纳米材料储氢技术能够取得突破，将是比较理想的储氢方式。
假如解决了氢气在汽车的储存问题，人们一般宁愿选择燃料动力锂电池直接使用氢气，而不希望新增一个重整装置再从汽油或甲醇中制取氢气。假如这样，则又存在一个大问题，人类社会必须寻找到一个廉价方便的制取氢的方法，建立若干大的氢气制造厂，建立一整套加氢站。
从寻找新能源的初衷考虑，从化石燃料中制氢的方法被摒除，现在人们正在尝试利用太阳能或风力发电，再将水电解制氢，或从某些细菌、海藻的新陈代谢中制氢等。但氢气能像汽油那样大量、廉价供应给人们的日子还未到来。
4燃料动力锂电池汽车的开发前景
从世界范围来看，由于近年来电动汽车的技术突破，使得各国政府在推广新能源汽车方面都把注意力放在了电动汽车上，而氢燃料动力锂电池仅有少数几个国家在力推，如日本政府力推氢能源汽车，补贴力度很大。而且各大汽车厂商的研发重点也是电动汽车，如通用、奥迪、奔驰和宝马等。
因此，随着充电桩的建设加速，未来十年至二十年应该是纯电动汽车的春天，将迎来最好的发展机遇。但是假如电池容量及电池快充技术在未来数年内没有大的突破，则氢燃料动力锂电池汽车则有机会赶超纯电动汽车，毕竟，氢燃料动力锂电池汽车充满氢气只需3分钟，却可以行使超过700公里，未来可能超过一千公里。
纯电动汽车和氢燃料动力锂电池汽车谁将成为未来的主流车型取代燃油汽车，取决于各自技术突破的速度以及政策支持。假如电池容量及快充技术在高效清洁制氢技术之前获得突破，那么纯电动汽车将成为未来主流新能源汽车，否则氢燃料动力锂电池汽车将超越电动汽车成为未来主流新能源汽车，否则氢燃料动力锂电池汽车将超越电动汽车成为未来主流新能源汽车。
从技术发展成熟度和我国国情来看，混合动力汽车可以作为大面积充电网络还没建立起来之前的过渡产品，而纯电动汽车应是我国目前大力发展的方向。但是我国也应加快氢能源汽车基础研究以及完善相应的工业体系，防止未来出现氢能源汽车大规模替代燃油汽车时处于被动地位。
5燃料动力锂电池控制系统的结构和策略
单独的燃料动力锂电池堆是不能发电并用于汽车的，它必须和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料动力锂电池发电系统，简称燃料动力锂电池系统：
燃料动力锂电池堆是燃料动力锂电池动力系统的最核心部件，它由多个燃料动力锂电池通过一定的方式结合起来形成的通过电化学反应出现直流电的燃料动力锂电池组。一个单独的燃料动力锂电池出现的电压低于1V，所以单电池要做成堆栈应用。
影响燃料动力锂电池系统效率的因素重要有以下几点：
大型燃料动力锂电池汽车如大客车一般采用感应电机驱动，重要应用在数十千万以上的中、大功率系统中；小型燃料动力锂电池汽车如乘用车一般用无刷直流电机驱动系统，重要应用在在数十千万以下的中、小功率的系统中。燃料动力锂电池汽车的整车控制系统和其他类型的新能源汽车是相同的，它负责对燃料动力锂电池系统、电机驱动系统、动力转向系统、再生制动系统和其他辅助系统进行监测和管理，也可以向智能化和数字化方向发展，包括神经网络、模糊运算和自适应控制等非线性智能控制技术都可以应用于燃料动力锂电池汽车的控制系统中。因此，燃料动力锂电池汽车相同可以发展无人驾驶或智能驾驶。
燃料动力锂电池车是以燃料动力锂电池为重要电源和以电动机驱动为惟一的驱动模式的电动汽车辆，燃料动力锂电池汽车的基础结构多种多样，按照驱动方式可分为纯燃料动力锂电池驱动和混合驱动两种，差别重要在于是否加装了辅助电源，辅助电源一般用蓄电池（铅酸电池）、碱性电池或超级电容器。
目前，因受到燃料动力锂电池启动较慢和燃料动力锂电池不能用充电来储存电能的限制，多数燃料动力锂电池汽车都要新增辅助电源来加速燃料动力锂电池车的启动，所要的电能和储存车辆制动反馈的能量。因此一般的燃料动力锂电池汽车大多是混合驱动型车，其动力系统关键装备除了燃料动力锂电池，还包括DC/DC转换器、驱动电动机及传动系统、辅助电源。
辅助电源及管理系统是混合型燃料动力锂电池汽车动力系统中的重要组成部分，在汽车启动、加速、爬坡等工况下，要驱动功率大于燃料动力锂电池可以供应的功率时，释放存储的电能，从而降低燃料动力锂电池的峰值功率需求，使燃料动力锂电池工作在一个稳定的工况下，而在汽车怠速、低速或减速等工况下，燃料动力锂电池功率大于驱动功率时，存储动力系统富余的能量，或在回馈制动时，吸收存储制动能量，从而提高整个动力系统的能量效率。
七、结语
近年来虽然汽车燃料动力锂电池快速发展，世界上大的汽车生产厂家都投人到电动汽车燃料动力锂电池系统研制开发和应用中，但要使其装车使用达到规模，仍有一些难题要解决。燃料动力锂电池电动汽车要复杂的车载燃料处理系统，虽然这些系统已成功使用在、航天等领域，但将其应用在汽车上仍面对新的挑战，技术方面存在许多难题有待研究和解决。
在解决燃料动力锂电池汽车各种技术问题的时候，重要目标是：安全性好、动力性优良、加油方便、节省燃料、续驶里程更长，并且希望排放趋近为零。
燃料动力锂电池在正式使用到电动汽车之前，必须使其技术成熟化。目前，燃料动力锂电池还存在系统结构复杂、体积和自身质量较大、成本较高等缺陷。
从世界重要汽车厂商开发实验用燃料动力锂电池电动汽车性能比较一览表可以看出，从燃料动力锂电池发电原理比较，首选车载燃料是氢气，然后是甲醇，最后是汽油。从基础设施完备性比较，选择顺序则应是汽油-甲醇-氢气，从排放污染物比较，应是氢气-甲醇-汽油。目前车载汽油提取氢气的方法是燃料动力锂电池富有生命力的重大进展，它解决了燃料动力锂电池的一个最大问题一缺少氢气供应的基础设施，所以使用汽油燃料动力锂电池为电动汽车动力源具有使用和推广价值。但从长远角度看，纯氢气是电动汽车燃料动力锂电池系统的最佳选择。
我国是世界上能源消费上升最快的国家，也是环境污染严重的国家。因此，发展燃料动力锂电池是解决能源短缺和环境污染的有效方法之一。尽管我国在燃料动力锂电池的研究方面取得了一些进展，但研究与发展的总体水平与国际水平还有很大差距。
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