燃料电池汽车原理和技术及配套设施 燃料电池汽车原理和技术及配套设施 雷洪钧 编 二〇二三年八月七日 于武汉 1 燃料电池汽车原理和技术及配套设施 【内容摘要】 本文介绍了燃料电池汽车原理、技术及配套设施。燃料电池通过电化学反应 将氢气和氧气转化为电能，同时产生水。燃料电池汽车包括氢气供应系统、氧气 供给系统、电动机、储能系统、燃料电池系统控制单元、燃料电池堆的冷却系统、 电池管理系统和燃料电池系统。其中，燃料电池系统是核心，由燃料电池堆和氢 气、氧气供应系统组成。不同类型的燃料电池堆具有不同的特点和性能，氢气和 氧气供应系统的技术也不同。电动机和储能系统是燃料电池汽车的配套设施，需 要满足特定的技术要求。此外，本文还介绍了燃料电池汽车的配套设施，如氢气 站的构建需要、加氢站充电设施、燃料电池汽车维修及服务设施和燃料电池汽车 维护站需具备相关配套设施。最后，本文总结了燃料电池汽车的前景和挑战，以 及技术和配套设施的发展方向和趋势，并分析了燃料电池汽车的优势和局限性， 以及未来趋势和与传统汽车的共存。 2 燃料电池汽车原理和技术及配套设施 目 录 燃料电池汽车原理和技术及配套设施 ............................................................... 1 1.引言 .................................................................................................................... 5 2 燃料电池的电化学过程 .................................................................................... 6 3.燃料电池汽车 .................................................................................................... 7 3.1 氢气供应系统 ................................................................................................. 9 3.2 氧气供给系统 ............................................................................................... 10 3.3 电动机 ........................................................................................................... 11 3.4 储能系统 ...................................................................................................... 12 3.5 燃料电池系统控制单元 .............................................................................. 12 3.6 燃料电池堆的冷却系统 .............................................................................. 13 3.7 电池管理系统 ............................................................................................... 14 3.8.燃料电池系统 ...............................................................................................15 3.8.1 燃料电池堆技术 ................................................................................ 16 3.8.2 不同类型的燃料电池堆特点、性能 ................................................ 17 3.8.3 氢气供应系统的技术 ........................................................................18 3.8.4 氧气供应系统技术：氧气的供应方式、处理等技术 ....................19 3.9 电动机技术 ................................................................................................... 20 3.10 储能系统技术特点、性能等 ..................................................................... 21 4.燃料电池汽车的配套设施 .............................................................................. 22 4.1 氢气站的构建需要 ....................................................................................... 23 3 燃料电池汽车原理和技术及配套设施 4.1.1 加氢站充电设施 ................................................................................ 24 4.1.2 燃料电池汽车维修及服务设施 ....................................................... 26 4.1.3 燃料电池汽车维护站需具备相关配套设施 ....................................28 5.总结 .................................................................................................................. 28 5.1 燃料电池汽车的前景和挑战： .......................................................... 28 5.2 燃料电池汽车技术和配套设施的发展方向和趋势： ...................... 29 5.3 燃料电池汽车的优势和局限性 .......................................................... 29 5.4 燃料电池汽车的未来趋势 .................................................................. 30 5.5 燃料电池汽车与传统汽车的共存 ...................................................... 30 【参考文献】 ..................................................................................................... 31 4 燃料电池汽车原理和技术及配套设施 1.引言 燃料电池汽车是采用化学反应产生电能作为驱动能源的一种新型技术。这种 技术不仅具有零排放的特点，还有助于显著降低对有限的化石能源的依赖。在全 球面临温室气体排放和气候变化的严峻形势下，燃料电池汽车被广泛视为一种可 持续发展的交通解决方案。 图 1 燃料电池汽车 虽然燃料电池汽车的研发与实践仍受到一些制约因素，包括燃料电池的较高 成本以及尚未建立完善的氢气供应链。此外，针对燃料电池汽车的技术进步以及 市场推广也有待进一步深化和推动。 因此，我们应当深入了解燃料电池汽车的背景和重要性，以及其在发展和推 广过程中所面临的挑战和机遇，这对于我们实现清洁能源交通的目标至关重要。 为实现这一目标，我们必须全面考虑技术、经济、政策和社会等多方面的因素， 从而加快燃料电池汽车的发展步伐，为构建可持续的交通体系贡献力量。 燃料电池是一种高效地将化学能直接转化为电能的高科技设备，具有显著的 优势。其运作机制基于电化学领域的科学原理，通过电场的驱动，氢气和氧气以 独特的化学反应形式产生电能。 5 燃料电池汽车原理和技术及配套设施 图 2 燃料电池系统 2 燃料电池的电化学过程 燃料电池的最核心部分由两个关键电极组成：阳极和阴极。阳极主要负责供 应氢气，阴极则负责供应氧气。这两个电极之间还设置有一层特殊的电解质，其 主要功能是传递电子。 图 3 燃料电池阳极和阴极 当纯净的氢气通过燃料电池的阳极进入时，该过程会涉及到一个关键步骤， 即解离。在这个过程中，氢分子在阳极表面被分解成氢离子和电子。这一步骤对 于燃料电池的运行至关重要，因为它提供了产生电能所需的反应物质。 这些解离生成的电子会在外部电路中进行流动，直至抵达阴极。在其沿电路 移动的过程中，电子会对电学负载产生影响，进而产生电流。此电流不仅能为各 6 燃料电池汽车原理和技术及配套设施 类电器提供稳定的电力供应，亦为燃料电池提供能量的来源。 在燃料电池的电解质层中，解离产生的氢离子会通过电解质传递到阴极一侧， 这一过程是燃料电池内部离子流动的一部分，也是燃料电池产生电力的关键步骤。 氧气从阴极进入燃料电池，并在其表面与氢离子进行反应。此反应实质上是 氧气与氢离子的还原反应，它会生成水。与此同时，这个反应产生的电子也通过 外部电路流动，产生电流。整个处理过程可用以下的等式来表示： 阳极反应：H2 -> 2H+ + 2e阴极反应：1/2O2 + 2H+ + 2e- -> H2O 最终的反应：H2 + 1/2O2 -> H2O 利用这种精确而严密的化学反应，燃料电池能够持续稳定地产生出大量电能， 一直持续到氢气或氧气的储存量