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燃料電池標(biāo)桿車Mirai氫燃料電池工作原理介紹及性能仿真分析
2019-04-28 15:28:37· 來(lái)源：中汽數(shù)據(jù)中心
豐田汽車公司在2014年12月推出的氫燃料電池汽車Mirai，作為全球第一款量產(chǎn)的氫燃料電池車，在技術(shù)領(lǐng)域與氫燃料電池等方面具有較大的參考意義和分析價(jià)值。中國(guó)汽
豐田汽車公司在2014年12月推出的氫燃料電池汽車Mirai，作為全球第一款量產(chǎn)的氫燃料電池車，在技術(shù)領(lǐng)域與氫燃料電池等方面具有較大的參考意義和分析價(jià)值。中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司數(shù)據(jù)資源中心于2017年購(gòu)入Mirai，并對(duì)其進(jìn)行了長(zhǎng)期的整車性能分析試驗(yàn)。燃料電池系統(tǒng)是本款車的核心部件。本期文章我們就來(lái)和大家聊聊氫燃料電池的工作原理以及性能分析初步結(jié)果。
Mirai的工作原理如下圖所示，氧氣由進(jìn)氣格柵進(jìn)入到燃料電池中，氫氣通過(guò)儲(chǔ)氫罐進(jìn)入到燃料電池中，二者在燃料電池中發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛。
燃料電池的基本原理請(qǐng)參考下圖，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是電解水的逆反應(yīng)。把氫氣和氧氣分別供給陽(yáng)極和陰極，氫通過(guò)Pt催化劑生成氫離子，失去的電子通過(guò)外電路到達(dá)陰極，產(chǎn)生電能；與此同時(shí)，陽(yáng)極側(cè)的氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極與氧氣反應(yīng)生成水?？此坪?jiǎn)單的原理，實(shí)則并不是那么簡(jiǎn)單。豐田公司在燃料電池領(lǐng)域掌握了五千多個(gè)專利，涵蓋燃料電池堆專利、高壓儲(chǔ)氫罐專利、燃料電池系統(tǒng)控制專利以及加氫站技術(shù)專利等，在氫燃料電池領(lǐng)域具有極強(qiáng)的參考價(jià)值。
以直行單流道單體質(zhì)子交換膜燃料電池為研究對(duì)象，借助于CFD軟件的PEM模塊對(duì)不同工作環(huán)境下（工作壓力、工作溫度和濕度）下的電池進(jìn)行數(shù)值模擬，研究低電流密度條件下壓力、溫度和濕度對(duì)燃料電池性能的影響程度。質(zhì)子交換膜燃料電池的組成部分主要包括陽(yáng)極集流板、陰極集流板、陽(yáng)極氣體流道、陰極氣體流道、陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層、陰極氣體擴(kuò)散層、陽(yáng)極催化劑層、陰極催化劑層和質(zhì)子交換膜，其中氣體流道為單直行流道。
本次分析基于以下幾點(diǎn)假設(shè)，與實(shí)際情況有所不同，結(jié)果僅供科學(xué)研究參考。
(1) 燃料電池處于穩(wěn)態(tài)、等溫的工作環(huán)境；
(2) 反應(yīng)氣體流動(dòng)方式為層流，氣體為不可壓縮的理想氣體；
(3) 擴(kuò)散層和催化層均為多孔介質(zhì)；
(4) 質(zhì)子交換膜對(duì)氣體不可滲透，僅作為固體導(dǎo)熱區(qū)；
(5) 電化學(xué)反應(yīng)只發(fā)生在催化劑層；
(6) 各個(gè)反應(yīng)氣體流道中流量相同且互不影響；
(7) 忽略重力影響。
仿真結(jié)果如上圖所示，由此可知，低電流密度條件下，燃料電池的性能隨著工作壓力的加大而不斷提高，當(dāng)壓力到達(dá)一定數(shù)值之后，電池性能開(kāi)始緩慢提高，濃差損失增加；燃料電池的工作溫度在一定范圍之內(nèi)逐漸升高時(shí)，電池性能先提高后降低；低電流密度條件下，陰極反應(yīng)氣體和陽(yáng)極反應(yīng)氣體完全加濕時(shí)，電池性能達(dá)到最大化程度。
數(shù)據(jù)資源中心計(jì)劃于2019年6月進(jìn)行Mirai的整車拆解與關(guān)鍵系統(tǒng)部件的性能分析，請(qǐng)感興趣的企業(yè)及專家一定要及時(shí)關(guān)注我們哦！
聯(lián)系人
石攀
shipan@catarc.ac.cn
022-60633186
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