新能源汽车概论 3-2

新能源汽车概论

第1

页第3章电动汽车储能装置新能源汽车概论

第2

页3.3燃料电池一、燃料电池基本原理二、燃料电池的特点三、燃料电池分类四、常见燃料电池新能源汽车概论

第3

页燃料电池概述

燃料电池（FuelCell，FC）是一种化学电池，它直接把物质发生化学反应时释出的能量变换为电能。工作时需要连续地向其供给活物质（起反应的物质）—燃料和氧化剂。把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。新能源汽车概论

第4

页直接发电间接发电传统热机发电燃料电池发电新能源汽车概论

第5

页传统技术内燃机化学能电能热能动能燃料电池直接发电间接发电新能源汽车概论

第6

页

原电池电能活性物质减少电能补充燃料燃料电池燃料消耗燃料供应系统蓄电池电能活性物质减少电源活性物质增多充电放电可逆反应原电池蓄电池燃料电池燃料电池的一般结构氢燃料电池的一般结构排热多,效率低废气多,不环保氢燃料电池奔驰公共汽车造价180万美元最高时速70公里／小时

2006年06月20日燃料电池公交车北京试运行长12米，宽2.55米，高3.688米载客量为70人车内恒温23摄氏度新能源汽车概论

第11

页蓄电池+氢燃料电池奔驰公共汽车锂离子电池(27千瓦每小时)氢气总量为35公斤充气时间也仅需8至10分钟续航里程是300多公里德国卡尔斯鲁厄理工学院南北校区公交专线新能源汽车概论

第12

页华南理工质子交换膜燃料电池示范电站投资1850万元占地仅2000平方米

能量利用率可达90%

功率300kw天然气制氢1立方米天然气生成约2立方米氢气制氢效率提高20%～30%比燃烧天然气发电量至少高30%污染物排放减少60%新能源汽车概论

第13

页基本原理简图一、燃料电池基本原理新能源汽车概论

第14

页化学反应一、燃料电池基本原理阳极阴极总反应新能源汽车概论

第15

页主要优点二、燃料电池的特点1.节能、转换效率高；（60-70%）2.排放基本达到零污染；3.无振动和噪声、使用寿命长；4.结构简单、运行平稳。新能源汽车概论

第16

页

存在的问题三、燃料电池的特点1.燃料种类单一，氢燃料不易获取；2.要求高质量的密封，不易储存；3.价格高，制造成本高；4.需要配备辅助电池系统。新能源汽车概论

第17

页按照运行机理

分为酸性、减性燃料电池。按其电解质类型质子交换膜燃料电池碱性燃料电池磷酸燃料电池固体氧化物燃料电池熔融碳酸盐燃料电池按照燃料使用类型

分为直接式、间接式和再生燃料电池三类。三、燃料电池分类新能源汽车概论

第18

页按照工作温度

分为超高温、高温、中温、低温三类。（1000℃以上；750-1000℃；200-750℃；200℃以下）

按照燃料种类

分为氢、甲醇、乙醇燃料电池等。按燃料状态分为液体型、气体型燃料电池。三、燃料电池分类新能源汽车概论

第19

页1.质子交换膜燃料电池（PEMFC）四、常见燃料电池

质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用可传导离子的聚合膜作为电解质。

聚合物电解质燃料电池（PEFC）固体聚合物燃料电池（SPFC）固体聚合物电解质燃料电池（SPEFC）。PEMFC:ProtonExchangeMembraneFuelCell新能源汽车概论

第20

页1.质子交换膜燃料电池（PEMFC）四、常见燃料电池（1）结构气体流道气体流道质子交换膜质子交换膜燃料单电池结构示意图新能源汽车概论

第22

页质子交换膜燃料电池组成质子交换膜催化剂层扩散层集流板流场板电极膜电极质子交换膜燃料电池连接各电极集流、通气、排水开槽石墨板进气引导新能源汽车概论

第23

页全氟磺酸树脂复合质子交换膜集流板质子交换膜燃料电池组件膜电极

高分子电解质(电解质)集流板膜电极组(阳极/电解质/阴极)单电池质子交换膜燃料单电池结构Membraneelectrodeassembly新能源汽车概论

第25

页平面式(Planar)叠堆式

(Stack)电池组结构新能源汽车概论

第26

页阴极薄膜阳极电子连接器燃料空气单格电池间连接平面式叠堆式新能源汽车概论

第27

页叠堆式结构双极板新能源汽车概论

第28

页质子交换膜燃料电池外观新能源汽车概论

第29

页电池连接方式及应用KWMWWmWPlanarStackLayoutPowerApplications手机,PDA数码相机

笔记本电脑小型交通工具便携式电源电动汽车发电新能源汽车概论

第30

页(2)工作原理PEMFC在原理上相当于水电解的“逆”装置。

阳极为氢燃料发生氧化的场所阴极为氧化剂还原的场所两极都含有加速电极电化学反应的催化剂质子交换膜为电解质1.质子交换膜燃料电池四、常见燃料电池PEMFC的工作原理示意图新能源汽车概论

第32

页H2e-H+H+e-O2H2e-e-H+H+H2OH2O阳极阴极质子交换膜电能氧气废水热质子氢气单格电池电子新能源汽车概论

第33

页氢气通过阳极集流板（双极板）经由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层;在阳极催化剂作用下，氢分子分解为带正电的氢离子（即质子）并释放出带负电的电子，完成阳极反应：

1.质子交换膜燃料电池四、常见燃料电池(2)工作原理新能源汽车概论

第34

页

阴极催化剂的作用下，氧与透过膜的氢离子及来自外电路的电子发生反应生成水，完成阴极反应：1.质子交换膜燃料电池电池总的反应为四、常见燃料电池(2)工作原理新能源汽车概论

第35

页1.质子交换膜燃料电池（PEMFC）四、常见燃料电池（3）特点效率高；零排放；噪声低、可靠性高；维护方便；发动效率平稳；氢来源广泛；技术成熟。成本高；纯度要求高。优点缺点新能源汽车概论

第36

页1.质子交换膜燃料电池（PEMFC）四、常见燃料电池（4）质子交换膜较长的使用寿命；较低的制造成本；较高的质子电导率和电子绝缘性；在100℃以上仍有较高的含水量和电导率；热稳定性和化学稳定性高；具有足够的强度和柔韧性等。质子交换膜基本要求新能源汽车概论

第37

页1.质子交换膜燃料电池（PEMFC）四、常见燃料电池（5）应用根据PEMFC的使用特点，其应用可分为固定型和移动型两大类。前者主要为燃料电池发电厂用或家用，后者主要为车用和便携式电子器具使用。新能源汽车概论

第38

页2.碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，AFC）四、常见燃料电池（1）原理新能源汽车概论

第39

页阳极和阴极发生的电化学反应为

总的反应为四、常见燃料电池2.碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，AFC）外电路内电解质新能源汽车概论

第40

页2.碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，AFC）四、常见燃料电池（2）特点AFC工作温度低（80℃），启动较快。可以用价格低的耐碱塑料制作电池本体；可以用镍作催化剂，而不用高价的铂。效率高。（50-55%）缺点是电池对燃料中的CO2敏感，电解液与CO2接触会生成碳酸根离子，从而影响输出功率；另外AFC需要冷却装置维护其较低的工作温度。新能源汽车概论

第41

页2.碱性燃料电池（AlkalineFuelCell，AFC）四、常见燃料电池（3）应用碱性燃料电池是最早研究成功并得以应用的燃料电池。20世纪60年代，AFC用于阿波罗号航天飞机，这是AFC首次出现在实际应用中。目前AFC是技术最成熟的燃料电池之一。新能源汽车概论

第42

页3.磷酸燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell，PAFC）四、常见燃料电池（1）原理磷酸为电解质，由两块涂有催化剂的多孔碳素板电极和经浓磷酸浸泡的碳化硅系电解质保持板组合而成。通过具有隔离与集流双功能的双极性板，将单电池串联成电池组。燃料气中的氢气在正极表面反应生成氢离子并释放出电子，而氢离子通过电解质层迁移至负极，其电极反应与PEMFC一样。新能源汽车概论

第43

页3.磷酸燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell，PAFC）四、常见燃料电池（2）特性构造简单、稳定，电解质为酸性，克服了AFC中的CO2造成的电解质变质问题，可以使用煤燃料改质而得到的含有CO2的改质气体。工作温度150-200℃，比PEMFC和AFC略高。采用加压水冷的冷却方式，PAFC的冷却系统就可以做得比较小，其排出的热量还可以作为空调的暖风，具有综合效率约40%，比其他燃料电池低。成本高。PAFC的催化剂是贵金属Pt。新能源汽车概论

第44

页3.磷酸燃料电池（PhosphoricAcidFuelCell，PAFC）四、常见燃料电池（3）应用PAFC是目前使用最多的燃料电池之一。采用PAFC的（50～250）kW的独立发电设备可用于医院、旅馆等，作为分散的发电站。如燃料气中CO含量过高，则催化剂容易毒化而失去催化活性，这也是阻碍其普及的主要原因。新能源汽车概论

第45

页4.固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）四、常见燃料电池（1）原理

新能源汽车概论

第46

页

阴极化学反应

氧离子O2-通过电解质隔膜，定向跃迁到阳极，阳极反应

四、常见燃料电池4.固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）总化学反应新能源汽车概论

第47

页4.固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）四、常见燃料电池（2）特点效率非常高，热电联供时可达80%以上。SOFC的操作温度也非常高，通常为（700～1000）℃。高温对连接材料、密封材料的性能提出了更高要求，使得SOFC的价格居高不下。如何降低SOFC操作温度成为关注的关键技术之一。新能源汽车概论

第48

页4.固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）四、常见燃料电池（3）应用

SOFC结构简单，效率也比其它燃料电池高很多。

SOFC对电解质、电极、连接材料的要求近乎苛刻，这在一定程度上影响了SOFC的应用。目前SOFC多用于独立工作场所或偏远地区小型电厂。新能源汽车概论

第49

页5.熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonateFuelCell，MCFC）四、常见燃料电池（1）原理

熔融碳酸盐作为电解质，（600～700）℃温度，碳酸盐混合物成为高传导性的熔融盐；电解质中CO32-离子自由流动，在电场作用下，从阴极流向阳极，提供离子传导；在阳极，氢气与从电解质隔膜迁移过来的CO32-发生反应，生成二氧化碳和水，并释放电子；阳极产生的电子通过外电路到达阴极，与氧气和二氧化碳相结合，生成CO32-

。新能源汽车概论

第50

页化学反应式为阳极阴极总反应四、常见燃料电池5.熔融碳酸盐燃料电池（MoltenCarbonat