《氫燃料電池研究4900字（論文）》

基于氫燃料電池結(jié)構(gòu)與控制的研究目錄TOC\o"1-3"\h\u14392第一章緒論 461131.1研究背景 4117151.2研究目的與意義 422456第二章豐田mirai氫燃料電池結(jié)構(gòu)分析 5144602.1豐田mirai氫燃料電池主要結(jié)構(gòu)及工作原理 5220072.1.1豐田mirai氫燃料電池主要結(jié)構(gòu) 5274272.1.2豐田mirai氫燃料電池工作原理 671612.2豐田mirai氫燃料電池輸出電能特性 6196732.3質(zhì)子交換膜燃料系統(tǒng)組成及應(yīng)用 729382第三章豐田mirai氫燃料電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略 839103.1氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 8100143.2氫燃料電池汽車的動(dòng)力控制策略 838413.3氫燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制 88902第四章豐田mirai氫能源汽車的改造與完善 10143604.1豐田氫能源汽車對(duì)比（傳統(tǒng)汽車、純電動(dòng)汽車等新能源汽車） 10116344.2加氫站設(shè)施建設(shè)的必要性和意義 1030693總結(jié) 11

第一章緒論1.1研究背景經(jīng)過幾百年的發(fā)展，汽車工業(yè)已成為世界上最重要的經(jīng)濟(jì)支柱之一。它是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的引擎。其發(fā)展的利弊日益明顯，其次，傳統(tǒng)汽車制造業(yè)需要消耗大量的自然資源，而汽車在使用過程中依賴石油等石材資源，排放更多有毒有害氣體，嚴(yán)重?fù)p害大氣環(huán)境和人民健康。隨著對(duì)礦產(chǎn)資源的過度需求和開發(fā)，自然資源面臨枯竭。給人類生活帶來了諸多危害，阻礙了汽車工業(yè)未來發(fā)展的步伐。1.2研究目的與意義燃料資源的研究和開發(fā)對(duì)汽車工業(yè)的轉(zhuǎn)型和發(fā)展尤為重要。新能源汽車使用氫作為能源燃料，廢氣排放量為零，可以產(chǎn)生液態(tài)水。現(xiàn)代學(xué)者認(rèn)為，非燃料資源的研究與開發(fā)為汽車工業(yè)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。因此，政府部門應(yīng)重視新能源的研究與支持，將新能源研究提升到國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展水平，出臺(tái)相關(guān)政策指導(dǎo)與支持，進(jìn)一步鼓勵(lì)汽車企業(yè)積極參與新能源的研究與開發(fā)。滿足時(shí)代和社會(huì)發(fā)展的需要，減少工業(yè)發(fā)展對(duì)環(huán)境和人民健康的影響。因此本文根據(jù)豐田mirai氫燃料電池結(jié)構(gòu)和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制進(jìn)行分析研究，結(jié)合氫燃料電池的相關(guān)概念進(jìn)行探究，給豐田mirai未來的發(fā)展創(chuàng)新當(dāng)中給出相應(yīng)的建議參考。

第二章豐田mirai氫燃料電池結(jié)構(gòu)分析本章在研究氫燃料電池結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，研究了氫燃料電池的輸出功率特性，介紹了質(zhì)子交換膜燃料系統(tǒng)的組成和應(yīng)用。2.1豐田mirai氫燃料電池主要結(jié)構(gòu)及工作原理2.1.1豐田mirai氫燃料電池主要結(jié)構(gòu)氫燃料電池主要由質(zhì)子交換膜、電極、雙極板以及氣體通道組成。其中，電極是氧化劑和燃料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的地方；質(zhì)子交換膜是固體電解質(zhì)，可以傳輸H+；雙極板可以串聯(lián)多個(gè)單電池，形成電池堆；氣體通道為燃料氣和氧化劑氣體在燃料電池中的擴(kuò)散提供了途徑。(1)質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜（PEM）是氫燃料電池的核心部件。PEM的厚度一般在25到175微米之間。它允許H+以水合質(zhì)子的形式通過。它能很好地分離其他離子和氣體。其質(zhì)量直接影響氫燃料電池的性能。目前，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的唯一質(zhì)子交換膜是全氟磺酸質(zhì)子交換膜。它是由全氟磺酸聚合物組成的固體電解質(zhì)，由氟碳主鏈和含磺酸基的醚支鏈組成。(2)電極電極是氫燃料電池的重要組成部分。目前，大多數(shù)燃料電池都使用由氣體擴(kuò)散層和催化層組成的氣體擴(kuò)散電極。氣體擴(kuò)散層不僅可以支撐催化層，還可以為氣體和液體反應(yīng)物及產(chǎn)物提供傳輸通道，以及電能和熱量。催化層是燃料和氧化劑在電極上化學(xué)反應(yīng)的重要場(chǎng)所，也是電子、熱量和水的產(chǎn)生和傳遞的重要場(chǎng)所。電極的催化層上有一層催化劑，可以加速化學(xué)反應(yīng)。催化劑的選擇和加工工藝的選擇直接決定了電極的反應(yīng)速度。它對(duì)燃料電池的性能非常重要。理想的催化劑應(yīng)滿足以下條件：（1）良好的催化性能；（2）良好的化學(xué)穩(wěn)定性；（3）良好的導(dǎo)電性。在燃料電池中，陽(yáng)極和陰極的催化劑是不同的。碳負(fù)載鉑（pt/c）催化劑主要用作陽(yáng)極，目前是活性最高的H:氧化催化劑，而鉑/c催化劑或鉑-m/c合金催化劑主要用作陰極。（3)膜電極（MEA）由于氫燃料電池中使用的電解質(zhì)是一種固體聚合物膜，膜與電極的接觸效果不理想，嚴(yán)重影響了電池的性能。為了解決這一問題，可以在陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜中加入全氟磺酸樹脂。MEA結(jié)構(gòu)有幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：（1）PFS樹脂是一種良好的質(zhì)子導(dǎo)體，能有效加速H+從電極進(jìn)入質(zhì)子交換膜的速率，從而提高電化學(xué)反應(yīng)的效率；（3）增加催化層的有效接觸面積，提高利用率。利率。鉑催化劑的轉(zhuǎn)化降低了鉑催化劑的消耗和氫燃料電池的生產(chǎn)成本。（3）降低了氫燃料電池的生產(chǎn)成本。電池內(nèi)阻降低了歐姆極化過電位，提高了電池的發(fā)電效率。4。有利于活性氣體、水和熱能的擴(kuò)散和循環(huán)，提高電池的發(fā)電性能。(4)雙極板由于單氫燃料電池在室溫下的理想電壓為1.229V，在實(shí)際工作條件下其輸出電壓僅為0.6-0.8V甚至更低，為了獲得更大的輸出電壓，需要將多個(gè)單電池串聯(lián)成一個(gè)燃料電池組。雙極板的出現(xiàn)使得單片電池的串聯(lián)簡(jiǎn)單可行。它收集電流并將其從一個(gè)蓄電池負(fù)極傳輸?shù)较乱粋€(gè)蓄電池正極，同時(shí)確保在燃料電池的有效工作表面均勻分布?xì)怏w。2.1.2豐田mirai氫燃料電池工作原理氫燃料電池是一種特殊的發(fā)電裝置，在催化劑的作用下，通過燃料（氫）和氧化劑（氧或空氣）的電化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。在陽(yáng)極中，氫作為燃料被加濕，并通過電極的氣體擴(kuò)散層到達(dá)催化層。在陰極中，氧作為氧化劑也會(huì)增濕并到達(dá)催化層。氫燃料電池發(fā)電本質(zhì)上是水電解的逆過程。由于整個(gè)反應(yīng)過程不涉及燃燒反應(yīng)，其能量轉(zhuǎn)換效率高，反應(yīng)的唯一產(chǎn)物是水。產(chǎn)生的水也可用于循環(huán)制氫，清潔環(huán)保。2.2豐田mirai氫燃料電池輸出電能特性在實(shí)驗(yàn)室建立了基于2KW氫燃料電池堆的氫燃料電池仿真模型。對(duì)氫燃料電池堆模型進(jìn)行了仿真。隨著電流密度的變化，反應(yīng)器的輸出功率呈拋物線形，啟動(dòng)功率隨電流密度的增大而增大。當(dāng)電流密度增加到約670mA/cm2（約180.9A）時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值（約2000W），電流密度繼續(xù)增加，功率開始下降。在氫燃料電池動(dòng)態(tài)模型中，由于雙層結(jié)構(gòu)的存在，當(dāng)電流密度突然變化時(shí)，電池的輸出電壓不會(huì)突然變化，而是有一個(gè)響應(yīng)過程。在實(shí)踐中，當(dāng)負(fù)載突變引起電流密度突變時(shí)，氫燃料電池的輸出電壓不會(huì)立即改變，但需要一個(gè)響應(yīng)過程。了解氫燃料電池的動(dòng)態(tài)輸出特性對(duì)優(yōu)化電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)燃料電池輸出功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)意義。2.3質(zhì)子交換膜燃料系統(tǒng)組成及應(yīng)用在燃料電池中，反應(yīng)物是氫和氧，產(chǎn)物是水和附加電。反應(yīng)是通過電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的。燃料電池由四部分組成：陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)和外部電路。燃料電池以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而引起了世界的關(guān)注。不同的對(duì)象對(duì)PEMFC系統(tǒng)的性能有不同的要求。一般來說，PEMFC的應(yīng)用范圍包括兩個(gè)方面：一個(gè)是由大型中央發(fā)電廠和小型分散式發(fā)電廠組成的固定電源；另一個(gè)是移動(dòng)電源，包括便攜式電源、航空航天和軍用電源、車輛電源等。第三章豐田mirai氫燃料電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略本章分析了氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，了解了半橋和全橋逆變器在氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的區(qū)別，介紹了氫燃料電池汽車的動(dòng)力控制策略。3.1氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單相逆變器按結(jié)構(gòu)分為半橋式和全橋式。半橋逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。電路中的兩個(gè)電容器可以自動(dòng)分配逆變器中多余的能量，并具有較好的不平衡電阻。但這需要兩個(gè)電容器串聯(lián)。兩個(gè)電容器的電壓應(yīng)適當(dāng)控制，否則會(huì)使變壓器產(chǎn)生偏壓。全橋逆變電路的功率晶體管雖然是半橋電路的兩倍，而且消耗較多，但開關(guān)晶體管的電壓應(yīng)力是輸入電壓，所以高頻變壓器的利用率較高。相比之下，全橋反演比的半橋反演更適合大功率應(yīng)用。3.2氫燃料電池汽車的動(dòng)力控制策略燃料電池汽車由燃料電池和蓄電池供電。其結(jié)構(gòu)與油電混合動(dòng)力汽車相似。汽油和發(fā)動(dòng)機(jī)被氫和燃料電池發(fā)電裝置取代。燃料電池車輛模型選定的控制策略為恒溫器型控制策略，當(dāng)蓄電池的SOC值小于設(shè)定的最小cs_lo_soc值時(shí)，F(xiàn)C向蓄電池充電維持電量平衡;當(dāng)蓄電池的SOC到達(dá)或超過設(shè)定的最大cs_hi_soc值時(shí)，燃料電池關(guān)閉;當(dāng)蓄電池SOC在(cs_lo_soc,cs_hi_soc)范圍內(nèi)時(shí)，F(xiàn)C輸出功率值經(jīng)蓄電池SOC值修正后確定.大多數(shù)情況下，電池的SOC波動(dòng)接近SOC設(shè)定的理想值，使電池功率保持在合理的范圍內(nèi)，有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命。3.3氫燃料電池動(dòng)力驅(qū)動(dòng)控制燃料電池的名稱雖然有“燃料”一詞，但氫能與氧劇烈燃燒，燃料電池不利用燃燒獲取能量，而是利用氫與氧的化學(xué)反應(yīng)中的電荷轉(zhuǎn)移來形成電流。該工藝的關(guān)鍵技術(shù)是用特殊的“電解質(zhì)膜”分離氫，整個(gè)過程結(jié)束。鄭明白蚊子不能通過屏幕，但較小的灰塵可以。電解質(zhì)膜也是燃料電池領(lǐng)域最難克服的技術(shù)障礙。因?yàn)闅浞肿臃浅Ｐ?，它可以穿過薄膜上的空穴，但在通過空穴的過程中，電子從分子中剝離，只留下正氫質(zhì)子通過。氫質(zhì)子被吸引到膜另一側(cè)的電極上，并與氧M結(jié)合。膜兩側(cè)的極板將氫分為氫離子（正）和電子，氧分為氧離子（負(fù)）和電子。電子在極板之間形成電流。兩個(gè)氫離子和一個(gè)氧離子結(jié)合形成純水，這是一種浪費(fèi)反應(yīng)。所以從本質(zhì)上講，整個(gè)運(yùn)行過程就是發(fā)電過程。因此，Mirai是一款純電動(dòng)汽車。燃料電池組取代笨重低效的鋰離子電池。當(dāng)車輛有更大的動(dòng)力需求時(shí)，鎳氫電池組將很快耗盡。此時(shí)，燃料電池組將直接向電機(jī)送電，以滿足鎳氫電池組雙電源的需要。當(dāng)車輛減速時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)，回收動(dòng)能，電能轉(zhuǎn)化為電能。電力將直接傳輸?shù)芥嚉潆姵亟M進(jìn)行儲(chǔ)存。第四章豐田mirai氫能源汽車的改造與完善燃料電池汽車在滿足人們出行需求的同時(shí)，有利于社會(huì)的綠色發(fā)展。在燃料電池汽車的使用和推廣階段，要抓好加氫站的建設(shè)，抓好加氫站建設(shè)的重點(diǎn)，全面保證加氫站的建設(shè)質(zhì)量。4.1豐田氫能源汽車對(duì)比（傳統(tǒng)汽車、純電動(dòng)汽車等新能源汽車）混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）：通過燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的配合為車輛提供動(dòng)力。一般來說，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）在起動(dòng)速度較低時(shí)采用純電力驅(qū)動(dòng)，在快速加速時(shí)采用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，以達(dá)到提高燃油經(jīng)濟(jì)性的效果。其他混合動(dòng)力汽車：燃油發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，汽車本身是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的。通常，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的任務(wù)是給車輛上的蓄電池充電，因此燃油發(fā)動(dòng)機(jī)本身不參與車輛的行駛過程。純電動(dòng)汽車：汽車的駕駛完全取決于發(fā)動(dòng)機(jī)。車內(nèi)沒有傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)所需的動(dòng)力來自車上的電池。4.2加氫站設(shè)施建設(shè)的必要性和意義通過促進(jìn)燃料汽車的生產(chǎn)和使用，降低化石能源的消耗率，優(yōu)化社會(huì)環(huán)境，發(fā)展汽車制造業(yè)具有積極意義。目前，燃料電池汽車制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。在一些地區(qū)，已經(jīng)有主要由氫驅(qū)動(dòng)的公共汽車，這是一個(gè)良好的開端。根據(jù)這一趨勢(shì)，我們可以將該技術(shù)應(yīng)用于未來的私家車制造業(yè)，實(shí)現(xiàn)汽車制造業(yè)的整體轉(zhuǎn)型。在燃料電池汽車使用階段，為了保證汽車的平穩(wěn)行駛，需要持續(xù)穩(wěn)定的能源供應(yīng)，需要在相應(yīng)的區(qū)域建立與燃料電池汽車匹配的加氫站，這也是保證電動(dòng)燃料汽車正常行駛的基礎(chǔ)。女同性戀。完全投入市場(chǎng)。加氫站的建設(shè)不僅可以方便燃料電動(dòng)汽車補(bǔ)充能源，而且使氫站本身成為一種宣傳，使更多的人關(guān)注燃料電池汽車的發(fā)展，使燃料電池汽車能夠融入到每個(gè)人的生活中，最終實(shí)現(xiàn)e燃料電動(dòng)汽車的普及。燃料電池汽車與城市環(huán)境的綠色發(fā)展。為了保證加氫站的建設(shè)能夠充分滿足燃料電池汽車和城市發(fā)展建設(shè)的需要，各地區(qū)必須認(rèn)識(shí)到當(dāng)?shù)啬茉垂?yīng)和道路交通的特點(diǎn)，并根據(jù)各地區(qū)的不同特點(diǎn)進(jìn)行建設(shè)。從經(jīng)濟(jì)技術(shù)角度出發(fā)，實(shí)施加氫站建設(shè)，確保加氫站建設(shè)完全滿足燃料電池汽車和城市發(fā)展建設(shè)的需要。

總結(jié)本文通過分析豐田mirai的氫燃料電池結(jié)構(gòu)以及動(dòng)力控制系統(tǒng)來分析氫燃料電池的工作原理及優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也分析了氫燃料電池的汽車動(dòng)力控制系統(tǒng)是怎樣工作的、怎樣將氫燃料轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)氫燃料汽車的能量轉(zhuǎn)換，表明氫燃料汽車在保持內(nèi)燃機(jī)的加速性能、爬升性能和行駛里程的同時(shí)，具有較高的能效。闡述了氫燃料電池的優(yōu)點(diǎn)。最后，分析了氫燃料電池的質(zhì)子交換膜、純氫的來源以及如何從水中提取氫。在如今這個(gè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展