電動(dòng)車燃料電池及電池組的工作原理

新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一是動(dòng)力電池，可以說，動(dòng)力電池的技術(shù)水平是掣肘新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵。動(dòng)力電池的成本、技術(shù)、制造等水平，決定了新能源汽車的成本、續(xù)駛里程、性能、舒適度等。

而燃料電池是電動(dòng)汽車中的一個(gè)特殊的存在，因?yàn)樗粚儆诠虘B(tài)電池，雖然其輸出的是電能但其工作原理更像是內(nèi)燃機(jī)的。今天一貓君就整理了電動(dòng)車燃料電池和電池組的相關(guān)組成和工作原理資料。

燃料電池由燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原。如果在陽極(即外電路的負(fù)極，也可稱燃料極)上連續(xù)供給氣態(tài)燃料(氫氣)，而在陰極(即外電路的正極，也可稱空氣極)上連續(xù)供給氧氣(或空氣)，就可以在電極上連續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生電流。

由此可見，燃料電池與常規(guī)電池不同，它的燃料和氧化劑不是儲(chǔ)存在電池內(nèi)，而是儲(chǔ)存在電池外部的儲(chǔ)罐中。當(dāng)它工作(輸出電流并做功)時(shí)，需要不間斷地向電池內(nèi)輸人燃料和氧化劑并同時(shí)排出反應(yīng)產(chǎn)物。

因此，從工作方式上看，它類似于常規(guī)的汽油或柴油發(fā)電機(jī)。

由于燃料電池工作時(shí)要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，所以燃料電池使用的燃料和氧化劑均為流體(氣體或液體)。

最常用的燃料為純氫、各種富含氫的氣體(如重整氣)和某些液體(如甲醇水溶液)，常用的氧化劑為純氧、凈化空氣等氣體和某些液體(如過氧化氫和硝酸的水溶液等)。

燃料電池陽極的作用是為燃料和電解液提供公共界面，并對燃料的氧化產(chǎn)生催化作用，同時(shí)把反應(yīng)中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)酵怆娐坊蛘呦葌鬏數(shù)郊靼搴笤傧蛲怆娐穫鬏敗?/p>

陰極(氧電極)的作用是為氧和電解液提供公共界面，對氧的還原產(chǎn)生催化作用，從外電路向氧電極的反應(yīng)部位傳輸電子。

由于電極上發(fā)生的反應(yīng)大多為多相界面反應(yīng)，為提高反應(yīng)速率，電極一般采用多孔材料并涂有電催化劑。

電解質(zhì)的作用是輸送燃料電極和氧電極在電極反應(yīng)中所產(chǎn)生的離子，并能阻止電極間直接傳遞電子。

隔膜的作用是傳導(dǎo)離子、阻止電子在電極間直接傳遞和分隔氧化劑與還原劑。因此隔膜必須是抗電解質(zhì)腐蝕和絕緣的物質(zhì)，并具有良好耐潤濕性。

燃料電池是一種化學(xué)電池，它利用物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋出的能量，直接將其變換為電能。從這一點(diǎn)看，它和其他化學(xué)電池如鋅錳干電池、鉛蓄電池等是類似的。

但是，它工作時(shí)需要連續(xù)地向其供給反應(yīng)物質(zhì)——燃料和氧化劑，這又和其他普通化學(xué)電池不大一樣。由于它是把燃料通過化學(xué)反應(yīng)釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵觯员环Q為燃料電池。

與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)相比，同樣都是需要燃料，但以汽油柴油等石油提煉而來的燃料產(chǎn)生的是熱能做功為汽車提供動(dòng)力，而燃料電池是燃燒后直接產(chǎn)生電能，兩種能量的不同導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)也完全不一樣。

純電動(dòng)車電池組的基本知識(shí)

電動(dòng)汽車電池組由多個(gè)電池串聯(lián)疊置組成。一個(gè)典型的電池組大約有96個(gè)電池，充電到4.2V的鋰離子電池而言，這樣的電池組可產(chǎn)生超過400V的總電壓。盡管汽車電源系統(tǒng)將電池組看作單個(gè)高壓電池，每次都對整個(gè)電池組進(jìn)行充電和放電，但電池控制系統(tǒng)必須獨(dú)立考慮每個(gè)電池的情況。

如果電池組中的一個(gè)電池容量稍微低于其他電池，那么經(jīng)過多個(gè)充電/放電周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其它電池。如果這個(gè)電池的充電狀態(tài)沒有周期性地與其它電池平衡，那么它最終將進(jìn)入深度放電狀態(tài)，從而導(dǎo)致?lián)p壞，并最終形成電池組故障。

為防止這種情況發(fā)生，每個(gè)電池的電壓都必須監(jiān)視，以確定充電狀態(tài)。此外，必須有一個(gè)裝置讓電池單獨(dú)充電或放電，以平衡這些電池的充電狀態(tài)。

電池組監(jiān)視系統(tǒng)的一個(gè)重要考慮因素是通信接口。就PC板內(nèi)的通信而言，常用的選項(xiàng)包括串行外設(shè)接口(SPI)總線、I2C總線，每種總線的通信開銷都很低，適用于低干擾環(huán)境。

另一個(gè)選項(xiàng)是控制器局域網(wǎng)(CAN)總線，這種總線在汽車應(yīng)用中被廣泛使用。CAN總線非常棒，具有誤差檢測和故障容限特性，但是它的通信開銷很大，材料成本也很高。盡管從電池系統(tǒng)到汽車主CAN總線的連接是值得要的，但在電池組內(nèi)采用SPI或I2C通信是有優(yōu)勢的。

近年來，我國動(dòng)力電池技術(shù)已經(jīng)取得長足進(jìn)步。但是，當(dāng)前動(dòng)力電池水平仍受制于材料特性、工藝水平、集成技術(shù)等多重因素的影響，尚不能完全滿足純電動(dòng)汽車的要求。

比如制約燃料電池發(fā)展的問題——安全性，眾所周知，氣體往往是極不穩(wěn)的的一種存在，氫氣作為氣體的一種實(shí)則是十分危險(xiǎn)的，氫燃料電池制造的大規(guī)模制氫、儲(chǔ)氫、輸氫和注氫等環(huán)節(jié)統(tǒng)統(tǒng)都會(huì)涉及到安全問題。再加之氫氣是一種無色無味的氣體，所以一旦泄露人的感官也無法立刻對其有所警覺，與空氣混合在一定濃度和溫度下就會(huì)燃燒，后果將不堪設(shè)想。

這就對系統(tǒng)的密封性和安全性要求非常之高了，而目前也還未出臺(tái)關(guān)于氫燃料電池的國際通用安全標(biāo)準(zhǔn)。氫燃料電池的另一大痛點(diǎn)，就是居高不下的成本問題。