第四章 燃料电池电动车.doc

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1、4.1.1氢能..现在生活和生产用能◇固定能源：电网的电（水电、火电、核电、风能发电、太阳能发电等）◇移动动力源：以石油为代表的液体燃料（汽车、飞机等）◇化学电源：电池（手机、各种小型电动工具）..后石油时代大型移动动力源(如汽车动力源)的解决方案◇生物燃料如生物柴油、乙醇等◇开发高比能量、高比功率的二次电池，发展电动车◇以氢为能量载体，用燃料电池发电(即所谓氢能经济)4.1.1氢能..氢气具有比任何燃料都高的比能量燃料比能量(Wh/kg)能量密度(Wh/L)压缩氢气a33600600液态氢气b336002400储氢镁24002100储氢钒700

2、4500甲醇57004500汽油124009100a:环境温度@20MPa压力；b:低温环境@0.1MPa压力.?.氢能来源◇矿物燃料制氢◇再生能源电解制氢储氢方法◇(1)压缩氢气(CHG)◇将CHG装在20~35MPa玻璃纤维加强的铝瓶中。◇◇优点：质量轻、成本低、技术成熟以及燃料补充迅速等。◇◇缺点：体积大、存在安全问题。◇(2)液态氢◇冷冻氢气至-253℃以下，形成液态氢，并储存在低温容器中。◇◇优点：体积小、能量密度高、燃料补充迅速。◇◇缺点：生产成本和销售成本昂贵，具有挥发性等。◇(3)储氢金属◇使氢气与金属镁和钒反应形成储氢金属，储氢

3、反应是可逆的并◇与分解温度有关(最高可达300℃)。◇◇优点：尺寸紧凑、使用安全等。◇◇缺点：氢气分离温度高(储氢镁分离温度287℃)以及相对较低◇的比能量(储氢钒比能量为700Wh/kg)。◇※纳米材料储氢······4.1.2燃料电池概述◇?燃料电池(FuelCell)是一种把燃料氧化的化学能直◇接转换为电能的“发电装置”。◇(问世于1839年)4.1.2燃料电池概述?燃料电池组成与基本工作原理(1)阳极(燃料电极)：为燃料和电解液提供了接触面，在催化剂作用下发生氧化反应并输出电子到外电路。(2)阴极(氧气电极)：为氧气和电解液提供了接触面，

4、在催化剂作用下发生还原反应并从外电路接受电子。(3)电解液：用于在阳极和阴极之间传递燃料反应的离子。总反应式：2H2+O2→2H2Oe-燃料与氧化剂经催化剂作用，经过电化学反应生成电能和水。4.1.2燃料电池概述?燃料电池堆由于单元燃料电池产生的电压很低(约0.7V)，须将它们串联连接，构成“燃料电池堆”，才能得到所需工作电压。4.1.2燃料电池概述?燃料电池堆◇采用双极板实现单元燃料电池的连接。◇同一块双极板的两个侧面，分别与相邻单元燃料电池的阴极和阳极接触。◇双极板还起到将氢送到阳极，将氧或空气送到阴极的作用。4.1.2燃料电池概述燃料电池种

5、类◇按燃料电池运行机理分类：酸性燃料电池和碱性燃料电池。◇按电解质种类分类：碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)。◇按燃料电池工作温度分类：低温型(温度低于200℃，如质子交换膜燃料电池)、中温型(温度为200~700℃)、高温型(温度高于750℃，如熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池)。◇按燃料类型分类：氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷、汽油、柴油和天然气等。有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池

6、的燃料。4.1.2燃料电池概述?特点◇反应速度和效率随参加反应气体参数的变化而不同，如压力、温度、湿度和负载的变化等。◇低电压、大电流。◇输出电压随温度升高而升高。◇输出电压随输出电流增大而下降。◇动态响应过程时间长。4.1.2燃料电池概述?优点◇高效：无燃烧，能量转换不受卡诺循环的限制，效率高达50%~60%，通过对余热的二次利用，总效率可高达80%~85%，能量利用效率是普通内燃机的2~3倍。◇环境友好：清洁无污染，氢/氧燃料电池的产物只有水，属于零排放或接近零排放（考虑到燃料重整时）◇安静：无振动与噪声。◇可靠性高：无机械运动部件，工作时仅

7、有气体和水的流动。◇燃料补充迅速、易于获得。◇燃料电池的效率随输出功率变化的特性比内燃机更适合于汽车的实际运行。燃料电池的效率在额定功率附近可达60％，部分功率下运行时效率会高于额定功率下的效率，可达约70%，过载功率下运行时效率略低于额定功率的效率，可达50~55％。过载能力强，更适合于汽车的加速、爬坡等工况。燃料电池。燃料电池的短时过载能力可达200％的额定功率。4.1.2燃料电池概述?存在的问题◇在瞬时大功率需求下性能有限◇成本高◇需热管理过载能力可达200％的额定功率。4.1.2燃料电池概述?燃料电池与普通蓄电池的区别◇本质区别燃料电池是

8、一种能量转换装置，在工作时必须有燃料输入，才能产出电能，不存在充电问题。普通蓄电池是一种能量储存装置，必须先将电能储存到电池中，在工作时