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【Mirai解析专题】燃料电池标杆车Mirai氢燃料电池工作原理介绍及性能仿真分析
最后更新:2019-04-28 浏览:46次

丰田汽车公司在2014年12月推出的氢燃料电池汽车Mirai,作为全球第一款量产的氢燃料电池车,在技术领域与氢燃料电池等方面具有较大的参考意义和分析价值。中汽中心数据资源中心于2017年购入Mirai,并对其进行了长期的整车性能分析试验。燃料电池系统是本款车的核心部件。本期文章我们跟大家聊聊氢燃料电池的工作原理以及性能分析初步结果。

Mirai的工作原理如下图所示,氧气由进气格栅进入到燃料电池中,氢气通过储氢罐进入到燃料电池中,二者在燃料电池中发生反应,从而产生电能通过电机驱动汽车行驶。

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燃料电池的基本原理请参考下图,简单来说就是电解水的逆反应。把氢气和氧气分别供给阳极和阴极,氢通过Pt催化剂生成氢离子,失去的电子通过外电路到达阴极,产生电能;与此同时,阳极侧的氢离子通过质子交换膜到达阴极与氧气反应生成水。看似简单的原理,实则并不是那么简单。丰田公司在燃料电池领域掌握了五千多个专利,涵盖燃料电池堆专利、高压储氢罐专利、燃料电池系统控制专利以及加氢站技术专利等,在氢燃料电池领域具有极强的参考价值。

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以直行单流道单体质子交换膜燃料电池为研究对象,借助于CFD软件的PEM模块对不同工作环境下(工作压力、工作温度和湿度)下的电池进行数值模拟,研究低电流密度条件下压力、温度和湿度对燃料电池性能的影响程度。质子交换膜燃料电池的组成部分主要包括阳极集流板、阴极集流板、阳极气体流道、阴极气体流道、阳极气体扩散层、阴极气体扩散层、阳极催化剂层、阴极催化剂层和质子交换膜,其中气体流道为单直行流道。

本次分析基于以下几点假设,与实际情况有所不同,结果仅供科学研究参考。

(1)    燃料电池处于稳态、等温的工作环境;

(2)    反应气体流动方式为层流,气体为不可压缩的理想气体;

(3)    扩散层和催化层均为多孔介质;

(4)    质子交换膜对气体不可渗透,仅作为固体导热区;

(5)    电化学反应只发生在催化剂层;

(6)    各个反应气体流道中流量相同且互不影响;

(7)    忽略重力影响。

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仿真结果如上图所示,由此可知,低电流密度条件下,燃料电池的性能随着工作压力的加大而不断提高,当压力到达一定数值之后,电池性能开始缓慢提高,浓差损失增加;燃料电池的工作温度在一定范围之内逐渐升高时,电池性能先提高后降低;低电流密度条件下,阴极反应气体和阳极反应气体完全加湿时,电池性能达到最大化程度。

数据中心计划于2019年6月进行Mirai的整车拆解与关键系统部件的性能分析,请感兴趣的企业及专家一定要及时关注我们哦!【联系人:石攀 shipan@catarc.ac.cn 022-60633186】(文/工程数据部)

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