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    未来汽车动力的第二选择会是燃料动力锂电池吗?

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  • 燃料动力电池车是电动汽车吗?

    燃料动力电池车是以燃料动力电池为能量源驱动的车辆。注意,是能量源而非动力源,燃料动力电池车通过燃料动力电池出现电能,供应给电动机驱动车辆。所以动力源仍然是电动机,所以,严格来说,燃料动力电池车是电动汽车。

    燃料动力电池是电池吗?在有些文献中,燃料动力电池也会被称为燃料动力电池发动机,因为它的运作原理和狭义的电池并不相同。它并不是储能元件,它不能像锂离子电池那样储存电能,准确来说,燃料动力电池算是一种发电机,和发动机类似,要外界输入的燃料(氢气),让氢气在电池堆内与氧气发生电化学反应,出现电能。

    但现在电池也可以广义的指代出现电能的装置,如太阳能电池,所以从这个角度,燃料动力电池(FuelCell)也可以算是电池。

    燃料动力电池是如何发电的

    在初中的时候大家都学过电解水制氢气和氧气的试验吧,燃料动力电池内部的电化学反应就是把这个过程反过来,往燃料动力电池中输入氢气和氧气,阳极,氢气在催化剂的用途下失去电子,成为氢离子(也就是质子),质子透过燃料动力电池的核心元件:质子交换膜,来到阴极,与氧气反应,生成水。

    等等,要反应的话是不是还缺了什么?对,还少了电子,阴极氢气失去的电子通过外电路来到阳极,参与反应。而电子经过外电路的这个过程是不是也有即视感?这不就是电流吗?

    于是,经过这样很简单的反应,就让电子从氢原子中脱离了,到外电路走了一圈,出现了电流。

    注意,燃料动力电池也分为很多种类,有的燃料动力电池可以使用甲醇作为燃料,其实燃料动力电池的能量转化核心在于电化学反应(氧化还原反应:[O]+[R]→[P]+Energy,[O]、[R]、[P]分别代表氧化剂、还原剂、反应生成物),只要能够在反应过程中出现得失电子的过程即可,并不规定氧化剂、还原剂究竟要什么。当然现在大部分燃料动力电池都是采用氢气作为燃料。上图展示的为PEMFC,质子交换膜燃料动力电池,也是当前最主流的车用燃料动力电池。

    为何燃料动力电池车能够解决纯电动汽车的里程焦虑

    了解了燃料动力电池是如何发电,那么这个问题就迎刃而解了。燃料动力电池并不要充电,为其补充氢气和加油在时间上并没有什么差别,3、5分钟就能搞定。比起充电自然是快了许多,而相关于混合动力车型,燃料动力电池则有着无污染的优势。但是,当前制约燃料动力电池汽车发展的关键因素除了燃料动力电池本身性能、成本上的不足之外,加氢站的建设也拖了后腿。

    加氢站的建设并非一家车企能够解决的,就算丰田开放氢燃料动力电池专利,鼓捣着建立燃料动力电池汽车联盟也不行,这种要求分布广泛,数量众多的基础设施建设必须依靠政府的力量,比起电能,氢气的运输储存对安全的要求更高。

    燃料动力电池的分类燃料动力电池的概念是1839年G.R.Grove提出的,至今已有大约160年的历史。按工作温度不同,燃料动力电池可分为低温燃料动力电池(小于100℃)、中温燃料动力电池(100-600℃)及高温燃料动力电池(大于600℃)三类。而根据用途来分类,则可以分为:固定式燃料动力电池,重要用于发电站(分为大功率集中式发电站与小型家用的分布式电站);移动型燃料动力电池,用于车辆、等交通工具;便携式燃料动力电池,用于手机、笔记本电脑等便携设备。

    当然,最为普遍的分类是按照其电解质类型来分类,可以分为5种:碱性燃料动力电池(AFC)、磷酸型燃料动力电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料动力电池伽(MCFC)、固体氧化物燃料动力电池(SOFC)和质子交换膜燃料动力电池(PEMFC)。他们的特点如下:

    质子交换膜燃料动力电池

    质子交换膜燃料动力电池,又称为固态聚合物电解质燃料动力电池(SolidPolymerElectrolyteFuelCell,SPEFC)或聚合物电解质膜燃料动力电池(PolymerElectrolyteMembranesFuelCell,PEMFC),是一种新型清洁能源发电装置,其研制始于上世纪60年代,最初由通用电气公司专门为美国国家航天局设计制造,应用于后者双子星座飞船计划中。随着PEMFC制造及相关控制技术不断发展,如今其不仅在航天、等特殊领域有突出应用,更在分散电站,电动汽车,移动电源等方面显示出独特优势。

    质子交换膜燃料动力电池的核心组件就是所谓的质子交换膜,学名叫全氟磺酸质子交换膜,目前重要商业引用的是美国杜邦公司开发的Nafion系列膜,其他公司的产品则有日本朝日化学的Aciplex膜、美国Dow公司的Dow膜等。

    它起到传输离子的电解质的用途,只不过和我们通常概念中的电解液不同,它是固态的。因而,在质子交换膜燃料动力电池中,它允许质子通过,但隔断阴阳极反应物,防止氢气和氧气直接接触发生反应(假如氢气氧气直接接触就会燃烧,电子就不会通过外电路了)。

    Nafion的化学结构

    全氟磺酸型质子交换膜是由碳氟主链构成疏水的骨架,侧链的磺酸根则具有亲水性,这个疏水∕亲水的微相分离结构既具有良好的机械性能和化学稳定性又可以为质子传导供应通道。另一方面,由于氟原子具有的强吸电性使侧链的磺酸根酸性增强,因此,全氟磺酸型质子交换膜具有高的电导率。

    在中心的质子交换膜两边则是催化剂层,一般使用铂金和碳组合制成,正因为要使用铂金,燃料动力电池价格始终高昂。虽然致力于其他替代材料,但他们的催化效果并不如Pt/C更好。

    再往外就是气体扩散层和双极板。气体扩散层的用途是让参与反应的气体(氢气、氧气)更好的与催化剂接触,从而获得更好的反应速度与效率,减少损失。和内燃机通过高压喷射燃油提高燃油的雾化效果类似。

    双极板就是我们通常说的正负极了,但是注意,双极板的双代表着在这一块板上有两个电极,一面充当正极,另一面充当负极,注意,这并不是同一节电池的正负极,而是分别作为两个电池的正极和负极。燃料动力电池一般不以单体形式存在,都是将一个个单体首尾相连,串联成一个电堆,于是前一节燃料动力电池单体的负极的背面就是后一节电池的阳极,形成了双极板。

    双极板除了作为电极之外,它上面还会布置流道,用途是让引导反应气体在燃料动力电池内的流动新增反应面积,并使其分布均匀,获得均一的电流密度,还要将反应出现的水排除。流道的设计有直道式、蛇形、变截面、交趾型等,上图中那些沟沟壑壑就是流道。

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