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燃料電池標桿車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值。中國汽
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值。中國汽車技術(shù)研究中心有限公司數(shù)據(jù)資源中心于2017年購入Mirai，并對其進行了長期的整車性能分析試驗。燃料電池系統(tǒng)是本款車的核心部件。本期文章我們就來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，氧氣由進氣格柵進入到燃料電池中，氫氣通過儲氫罐進入到燃料電池中，二者在燃料電池中發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生電能通過電機驅(qū)動汽車行駛。
燃料電池的基本原理請參考下圖，簡單來說就是電解水的逆反應(yīng)。把氫氣和氧氣分別供給陽極和陰極，氫通過Pt催化劑生成氫離子，失去的電子通過外電路到達陰極，產(chǎn)生電能；與此同時，陽極側(cè)的氫離子通過質(zhì)子交換膜到達陰極與氧氣反應(yīng)生成水?？此坪唵蔚脑?，實則并不是那么簡單。豐田公司在燃料電池領(lǐng)域掌握了五千多個專利，涵蓋燃料電池堆專利、高壓儲氫罐專利、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)域具有極強的參考價值。
以直行單流道單體質(zhì)子交換膜燃料電池為研究對象，借助于CFD軟件的PEM模塊對不同工作環(huán)境下（工作壓力、工作溫度和濕度）下的電池進行數(shù)值模擬，研究低電流密度條件下壓力、溫度和濕度對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極集流板、陰極集流板、陽極氣體流道、陰極氣體流道、陽極氣體擴散層、陰極氣體擴散層、陽極催化劑層、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假設(shè)，與實際情況有所不同，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)氣體流動方式為層流，氣體為不可壓縮的理想氣體；
(3) 擴散層和催化層均為多孔介質(zhì)；
(4) 質(zhì)子交換膜對氣體不可滲透，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)壓力到達一定數(shù)值之后，電池性能開始緩慢提高，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，電池性能先提高后降低；低電流密度條件下，陰極反應(yīng)氣體和陽極反應(yīng)氣體完全加濕時，電池性能達到最大化程度。
數(shù)據(jù)資源中心計劃于2019年6月進行Mirai的整車拆解與關(guān)鍵系統(tǒng)部件的性能分析，請感興趣的企業(yè)及專家一定要及時關(guān)注我們哦！
聯(lián)系人
石攀
shipan@catarc.ac.cn
022-60633186
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