第3章電動(dòng)汽車儲(chǔ)能裝置.ppt

第3章電動(dòng)汽車儲(chǔ)能裝置,3.1概述3.2蓄電池3.3燃料電池3.4超級(jí)電容器3.5飛輪電池,第1頁(yè),3.1概述,3.1.1電池的類型3.1.2電池的性能指標(biāo)3.1.3電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力蓄電池的要求,第2頁(yè),3.1.1電池的類型,電池分為化學(xué)電池、物理電池和生物電池三大類。1化學(xué)電池化學(xué)電池是利用物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，按工作性質(zhì)分為原電池、蓄電池、燃料電池和儲(chǔ)備電池。原電池是指電池放電后不能用簡(jiǎn)單的充電方法使活性物質(zhì)復(fù)原而繼續(xù)使用的電池。蓄電池是指電池在放電后可以通過(guò)充電的方法使活性物質(zhì)復(fù)原而繼續(xù)使用的電池，這種充放電可以達(dá)數(shù)十次到上千次循環(huán)。燃料電池又稱連續(xù)電池，是指參加反應(yīng)的活性物質(zhì)從電池外部連續(xù)不斷地輸入電池，電池就連續(xù)不斷地工作而提供電能。儲(chǔ)備電池是指電池正負(fù)極與電解質(zhì)在儲(chǔ)存期間不直接接觸，使用前注入電解液或者使用其它方法使電解液與正負(fù)極接觸，此后電池進(jìn)入待放電狀態(tài)。,第3頁(yè),3.1.1電池的類型,化學(xué)電池按電解質(zhì)分為酸性電池、堿性電池、中性電池、有機(jī)電解質(zhì)電池、非水無(wú)機(jī)電解質(zhì)電池、固體電解質(zhì)電池等?；瘜W(xué)電池按電池的特性分為高容量電池、密封電池、高功率電池、免維護(hù)電池、防爆電池等?；瘜W(xué)電池按正負(fù)極材料分為鋅錳電池系列、鎳鎘鎳氫系列、鉛酸系列、鋰電池系列等。,第4頁(yè),3.1.1電池的類型,2物理電池物理電池是利用光、熱、物理吸附等物理能量發(fā)電的電池，如太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器、飛輪電池等。3生物電池生物電池是利用生物化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電池，如微生物電池、酶電池、生物太陽(yáng)電池等。迄今已經(jīng)實(shí)用化的車用動(dòng)力蓄電池有傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。在物理電池領(lǐng)域中，超級(jí)電容器也應(yīng)用于電動(dòng)汽車中。生物燃料電池在車用動(dòng)力中應(yīng)用前景也十分廣闊，以氫為燃料的燃料電池和氧化物燃料電池的研發(fā)已進(jìn)入重要發(fā)展階段。,第5頁(yè),3.1.2電池的性能指標(biāo),電池的性能指標(biāo)主要有電壓、容量、內(nèi)阻、能量、功率、輸出效率、自放電率、使用壽命等，根據(jù)電池種類不同，其性能指標(biāo)也有差異。1電壓電壓分為端電壓、開路電壓、額定電壓、充電終止電壓和放電終止電壓等。電池的端電壓是指電池正極與負(fù)極之間的電位差；開路電壓是指電池在沒(méi)有負(fù)載情況下的端電壓；額定電壓是電池在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下工作時(shí)應(yīng)達(dá)到的電壓；蓄電池充足電時(shí)，極板上的活性物質(zhì)已達(dá)到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，電池的電壓也不會(huì)上升，此時(shí)的電壓稱為充電終止電壓；放電終止電壓是指電池放電時(shí)允許的最低電壓。,第6頁(yè),3.1.2電池的性能指標(biāo),電池的性能指標(biāo)主要有電壓、容量、內(nèi)阻、能量、功率、輸出效率、自放電率、使用壽命等，根據(jù)電池種類不同，其性能指標(biāo)也有差異。1電壓電壓分為端電壓、開路電壓、額定電壓、充電終止電壓和放電終止電壓等。電池的端電壓是指電池正極與負(fù)極之間的電位差；開路電壓是指電池在沒(méi)有負(fù)載情況下的端電壓；額定電壓是電池在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下工作時(shí)應(yīng)達(dá)到的電壓；蓄電池充足電時(shí)，極板上的活性物質(zhì)已達(dá)到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，電池的電壓也不會(huì)上升，此時(shí)的電壓稱為充電終止電壓；放電終止電壓是指電池放電時(shí)允許的最低電壓。,第7頁(yè),3.1.2電池的性能指標(biāo),2容量電池在一定的放電條件下所能放出的電量稱為電池的容量。常用單位為安培小時(shí)，它等于放電電流與放電時(shí)間的乘積。電池的容量可以分為理論容量、實(shí)際容量、標(biāo)稱容量和額定容量等。理論容量是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計(jì)算而得到的最高理論值。實(shí)際容量是指電池在一定條件下所能輸出的電量，它等于放電電流與放電時(shí)間的乘積，單位為Ah，其值小于理論容量。標(biāo)稱容量是用來(lái)鑒別電池的近似安時(shí)值。額定容量也叫保證容量，是按國(guó)家或有關(guān)部門頒布的標(biāo)準(zhǔn)，保證電流在一定的放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的容量。,第8頁(yè),3.1.2電池的性能指標(biāo),3內(nèi)阻電池的內(nèi)阻是指電流流過(guò)電池內(nèi)部時(shí)所受到的阻力。充電電池的內(nèi)阻很小，需要用專門的儀器才可以測(cè)量到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。一般所知的電池內(nèi)阻是充電態(tài)內(nèi)阻，即指電池充滿電時(shí)的內(nèi)阻（與之對(duì)應(yīng)的是放電態(tài)內(nèi)阻，指電池充分放電后的內(nèi)阻。一般說(shuō)來(lái)，放電態(tài)內(nèi)阻比充電態(tài)內(nèi)阻大，并且不太穩(wěn)定）。電池內(nèi)阻越大，電池自身消耗掉的能量越多，電池的使用效率越低。內(nèi)阻很大的電池在充電時(shí)發(fā)熱很厲害，使電池的溫度急劇上升，對(duì)電池和充電器的影響都很大。隨著電池使用次數(shù)的增多，由于電解液的消耗及電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)活性的降低，電池的內(nèi)阻會(huì)有不同程度的升高。,第9頁(yè),3.1.2電池的性能指標(biāo),4能量電池的能量是指在一定放電制度下，電池所能輸出的電能，單位是Wh或kWh。它影響電動(dòng)汽車的行駛距離。能量分為理論能量、實(shí)際能量、比能量和能量密度。理論能量是電池的理論容量與額定電壓的乘積，指一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下，電池所輸出的能量；實(shí)際能量是電池實(shí)際容量與平均工作電壓的乘積，表示在一定條件下電池所能輸出的能量；比能量也稱質(zhì)量比能量，是指電池單位質(zhì)量所能輸出的電能，單位是Wh/kg，常用比能量來(lái)比較不同的電池系統(tǒng)；能量密度也稱體積比能量，是指電池單位體積所能輸出的電能，單位是Wh/L。,第10頁(yè),3.1.2電池的性能指標(biāo),5功率電池的功率是指電池在一定放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)所輸出能量的大小，單位為W或kW。電池的功率決定了電動(dòng)汽車的加速性能和爬坡能力。功率分為比功率和功率密度。比功率是指單位質(zhì)量電池所能輸出的功率，也稱質(zhì)量比功率，單位為W/kg或kW/kg；功率密度是指單位體積電池所能輸出的功率稱為功率密度，也稱體積比功率，單位為W/L或kW/L。,第11頁(yè),3.1.2電池的性能指標(biāo),6輸出效率動(dòng)力電池作為能量存儲(chǔ)器，充電時(shí)把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，放電時(shí)把電能釋放出來(lái)。在這個(gè)可逆的電化學(xué)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，有一定的能量損耗。通常用電池的容量效率和能量效率來(lái)表示。容量效率是指電池放電時(shí)輸出的容量與充電時(shí)輸入的容量之比；能量效率是指電池放電時(shí)輸出的能量與充電時(shí)輸入的能量之比。,第12頁(yè),3.1.2電池的性能指標(biāo),7自放電率自放電率是指電池在存放期間容量的下降率，即電池?zé)o負(fù)荷時(shí)自身放電使容量損失的速度。自放電率用單位時(shí)間容量降低的百分?jǐn)?shù)表示。,第13頁(yè),3.1.2電池的性能指標(biāo),8放電倍率電池放電電流的大小常用“放電倍率”表示，即電池的放電倍率用放電時(shí)間表示或者說(shuō)以一定的放電電流放完額定容量所需的小時(shí)數(shù)來(lái)表示，由此可見(jiàn)，放電時(shí)間越短，即放電倍率越高，則放電電流越大。放電倍率等于額定容量與放電電流之比。根據(jù)放電倍率的大小，可分為低倍率（7.0C）。,第14頁(yè),3.1.2電池的性能指標(biāo),9使用壽命使用壽命是指電池在規(guī)定條件下的有效壽命期限。電池發(fā)生內(nèi)部短路或損壞而不能使用，以及容量達(dá)不到規(guī)范要求時(shí)電池使用失效，這時(shí)電池的使用壽命終止。電池的使用壽命包括使用期限和使用周期。使用期限是指電池可供使用的時(shí)間，包括電池的存放時(shí)間。使用周期是指電池可供重復(fù)使用的次數(shù)。除此之外，成本也是一個(gè)重要的指標(biāo)，電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸之一就是電池價(jià)格高。,第15頁(yè),3.1.3電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的要求,(1)比能量高。為了提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，要求電動(dòng)汽車上的動(dòng)力電池盡可能儲(chǔ)存多的能量，但電動(dòng)汽車又不能太重，其安裝電池的空間也有限，這就要求電池具有高的比能量。(2)比功率大。為了能使電動(dòng)汽車在加速行駛、爬坡能力和負(fù)載行駛等方面能與燃油汽車相競(jìng)爭(zhēng)，就要求電池具有高的比功率。(3)充放電效率高。電池中能量的循環(huán)必須經(jīng)過(guò)充電放電充電的循環(huán)，高的充放電效率對(duì)保證整車效率具有至關(guān)重要的作用。,第16頁(yè),3.1.3電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的要求,(4)相對(duì)穩(wěn)定性好。電池應(yīng)當(dāng)在快速充放電和充放電過(guò)程變工況的條件下保持性能的相對(duì)穩(wěn)定，使其在動(dòng)力系統(tǒng)使用條件下能達(dá)到足夠的充放電循環(huán)次數(shù)。(5)使用成本低。除了降低電池的初始購(gòu)買成本外，還要提高電池的使用壽命以延長(zhǎng)其更換周期。(6)安全性好。電池應(yīng)不會(huì)引起自燃或燃燒，在發(fā)生碰撞等事故時(shí)，不會(huì)對(duì)乘員造成傷害。,第17頁(yè),3.2蓄電池,3.2.1鉛酸蓄電池3.2.2鎳氫電池3.2.3鎳鎘電池3.2.4鋰離子電池3.2.5鋅鎳電池3.2.6空氣電池3.2.7蓄電池的充電方法3.2.8蓄電池的性能測(cè)試,第18頁(yè),3.2.1鉛酸蓄電池,1鉛酸蓄電池的分類鉛酸蓄電池分免維護(hù)鉛酸蓄電池和閥控密封式鉛酸蓄電池。免維護(hù)鉛酸蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水。它具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點(diǎn)。使用壽命一般為普通鉛酸蓄電池的兩倍。閥控密封式鉛酸蓄電池在使用期間不用加酸加水維護(hù)，電池為密封結(jié)構(gòu)，不會(huì)漏酸，也不會(huì)排酸霧，電池蓋子上設(shè)有溢氣閥(也叫安全閥)，該閥的作用是當(dāng)電池內(nèi)部氣體量超過(guò)一定值，即當(dāng)電池內(nèi)部氣壓升高到一定值時(shí)，溢氣閥自動(dòng)打開，排出氣體，然后自動(dòng)關(guān)閉，防止空氣進(jìn)入電池內(nèi)部。,第19頁(yè),3.2.1鉛酸蓄電池,2鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)鉛酸蓄電池的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。它由正負(fù)極板、隔板、電解液、溢氣閥、外殼等部分組成。,第20頁(yè),3.2.1鉛酸蓄電池,3鉛酸蓄電池的工作原理鉛酸蓄電池使用時(shí)，把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程叫放電。在使用后，借助于直流電在電池內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能而儲(chǔ)蓄起來(lái)，這種蓄電過(guò)程叫做充電。鉛酸蓄電池是酸性蓄電池，其化學(xué)反應(yīng)式為,第21頁(yè),3.2.1鉛酸蓄電池,鉛酸蓄電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)除鋰離子電池外，在常用蓄電池中，鉛酸蓄電池的電壓最高，為2.0V；(2)價(jià)格低廉；(3)可制成小至lAh大至幾千Ah的各種尺寸和結(jié)構(gòu)的蓄電池；(4)高倍率放電性能良好，可用于引擎啟動(dòng)；(5)高低溫性能良好，可在-4060條件下工作；(6)電能效率高達(dá)60%；(7)易于浮充使用，沒(méi)有“記憶”效應(yīng)；(8)易于識(shí)別荷電狀態(tài)。,第22頁(yè),3.2.1鉛酸蓄電池,鉛酸蓄電池具有以下缺點(diǎn)：(1)比能量低，在電動(dòng)汽車中所占的質(zhì)量和體積較大，一次充電行駛里程短；(2)使用壽命短，使用成本高；(3)充電時(shí)間長(zhǎng)；(4)鉛是重金屬，存在污染。,第23頁(yè),3.2.2鎳氫電池,鎳氫電池是90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型電池。它的正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負(fù)極活性物質(zhì)主要由貯氫合金制成，是一種堿性蓄電池。鎳氫電池具有高比能量、高功率、適合大電流放電、可循環(huán)充放電、無(wú)污染，被譽(yù)為“綠色電源”。1鎳氫電池的分類按照外形，鎳氫電池方形鎳氫電池和圓形鎳氫電池,第24頁(yè),3.2.2鎳氫電池,2鎳氫電池的結(jié)構(gòu)鎳氫電池主要由正極、負(fù)極、極板、隔板、電解液等組成。鎳氫電池正極是活性物質(zhì)氫氧化鎳，負(fù)極是儲(chǔ)氫合金，用氫氧化鉀作為電解質(zhì)，在正負(fù)極之間有隔膜，共同組成鎳氫單體電池。在金屬鉑催化作用下，完成充電和放電可逆反應(yīng)。鎳氫電池的極板有發(fā)泡體和燒結(jié)體兩種，發(fā)泡體極板的鎳氫電池在出廠前必須進(jìn)行預(yù)充電，且放電電壓不能低于0.9V，工作電壓也不太穩(wěn)定，為避免發(fā)泡鎳氫電池老化所造成的內(nèi)阻增高，鎳氫電池在出廠前必須進(jìn)行預(yù)充電。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的燒結(jié)體極板的鎳氫電池，其燒結(jié)體極板本身就是活性物質(zhì)，不需要進(jìn)行活性處理，也不需要進(jìn)行預(yù)充電，電壓平衡、穩(wěn)定，具有低溫放電性能好、不易老化和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。,第25頁(yè),3.2.2鎳氫電池,3.鎳氫電池的工作原理鎳氫電池是將物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置。鎳氫電池由鎳氫化合物正電極、儲(chǔ)氫合金負(fù)電極以及堿性電解液(比如30%的氫氧化鉀溶液)組成。密封一次鎳氫電池的性能特點(diǎn)主要取決于本身體系的電極反應(yīng)。當(dāng)鎳氫電池以標(biāo)準(zhǔn)電流放電時(shí)，平均工作電壓為1.2V。當(dāng)電池以8C率放電時(shí)，端電壓降至1.1V時(shí)，則認(rèn)為放電已完。電壓1.1V稱為8C率放電時(shí)的放電終止電壓(0.6V0.8V)。,第26頁(yè),3.2.2鎳氫電池,4.鎳氫電池的特點(diǎn)鎳氫電池具有無(wú)污染、高比能、大功率、快速充放電、耐用性等許多優(yōu)異特性。與鉛酸蓄電池相比，鎳氫電池具有比能量高、重量輕、體積小、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。(1)比功率高。目前商業(yè)化的鎳氫功率型電池能做到1350W/kg。(2)循環(huán)次數(shù)多。目前應(yīng)用在電動(dòng)車上的鎳氫動(dòng)力電池，80%放電深度(DOD)循環(huán)可以達(dá)1000次以上，為鉛酸蓄電池的3倍以上，100%DOD循環(huán)壽命也在500次以上，在混合動(dòng)力汽車中可使用5年以上。(3)無(wú)污染。鎳氫電池不含鉛、鎘等對(duì)人體有害的金屬，為21世紀(jì)“綠色環(huán)保電源”。,第27頁(yè),3.2.2鎳氫電池,(4)耐過(guò)充過(guò)放。(5)無(wú)記憶效應(yīng)。(6)使用溫度范圍寬。正常使用溫度范圍-3055；貯存溫度范圍-4070。(7)安全可靠。短路、擠壓、針刺、安全閥工作能力、跌落、加熱、耐振動(dòng)等安全性、可靠性試驗(yàn)無(wú)爆炸、燃燒現(xiàn)象。鎳氫電池的基本單元是單體電池，單體電壓為1.2V，按使用要求組合成不同電壓和不同電荷量的鎳氫電池總成。,第28頁(yè),3.2.3鎳鎘電池,鎳鎘電池是一種堿性蓄電池，比能量可達(dá)55Wh/kg，比功率超過(guò)190W/kg，可快速充電，循環(huán)使用壽命較長(zhǎng)，可達(dá)到2000多次。使用中要注意做好回收工作，以免重金屬鎘造成環(huán)境污染。1鎳鎘電池的結(jié)構(gòu)鎘鎳電池采用金屬鎘作負(fù)極活性物質(zhì)，氫氧化鎳作正極活性物質(zhì)的堿性蓄電池。正、負(fù)極材料分別填充在穿孔的附鎳鋼帶（或鎳帶）中，經(jīng)拉漿、滾壓、燒結(jié)、化成或涂膏、烘干、壓片等方法制成極板；用聚酰胺非織布等材料作隔離層；用氫氧化鉀水溶液作電解質(zhì)溶液；電極經(jīng)卷繞或疊合組裝在塑料或鍍鎳鋼殼內(nèi)。,第29頁(yè),3.2.3鎳鎘電池,2鎳鎘電池充放電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)鎳鎘電池放電時(shí)總的電化學(xué)反應(yīng)為鎳鎘電池充電時(shí)總的電化學(xué)反應(yīng)為,第30頁(yè),3.2.3鎳鎘電池,3鎳鎘蓄電池的容量鎳鎘蓄電池容量與活性物質(zhì)的數(shù)量、放電率和電解液等因素有關(guān)。放電電流直接影響放電終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，蓄電池的容量越小。使用不同成分電解液，對(duì)蓄電池的容量和壽命有一定影響。電解液的溫度對(duì)蓄電池的容量影響較大。這是因?yàn)殡S著電解液溫度升高，極板活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)也逐步改善。電解液中的有害雜質(zhì)越多，蓄電池的容量越小。,第31頁(yè),3.2.4鋰離子電池,1鋰離子電池的分類按照鋰離子電池外形形狀，可以分為方形鋰離子電池和圓柱形鋰離子電池。按照鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，可以分為聚合物鋰離子電池和液態(tài)鋰離子電池。按照鋰離子電池正極的材料不同，可以分為錳酸鋰離子電池、磷酸鐵鋰離子電池、鎳鈷鋰離子電池或鎳鈷錳鋰離子電池。第一代車用鋰離子電池是錳酸鋰離子電池，成本低，安全性較好，但循環(huán)壽命欠佳，在高溫環(huán)境下循環(huán)壽命更短，高溫時(shí)會(huì)出現(xiàn)錳離子溶出的現(xiàn)象。第二代是具有美國(guó)專利的磷酸鐵鋰離子電池，是鋰離子電池的發(fā)展方向，由于原材料價(jià)格低且磷、鐵、鋰的資源豐富，且工作電壓適中，充放電特性好，高放電功率，可快速充電且循環(huán)壽命長(zhǎng)，高溫和高熱穩(wěn)定性好，儲(chǔ)能特性強(qiáng)，完全無(wú)毒。,第32頁(yè),3.2.4鋰離子電池,2鋰離子電池的結(jié)構(gòu)鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔板、電解液和安全閥等組成。圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)如圖所示。,第33頁(yè),3.2.4鋰離子電池,3.鋰離子電池的工作原理鋰離子電池正極材料采用鋰化合物L(fēng)iCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，負(fù)極采用鋰-碳層間化合物L(fēng)ixC6，電解液為有機(jī)溶液。鋰離子電池的工作原理，電池在充電時(shí)，鋰離子從正極材料的晶格中脫出，通過(guò)電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到負(fù)極中；放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫出，通過(guò)電解質(zhì)溶液和隔膜，嵌入到正極材料晶格中。在整個(gè)充放電過(guò)程中，鋰離子往返于正負(fù)極之間。,第34頁(yè),3.2.4鋰離子電池,4.鋰離子電池的特點(diǎn)鋰離子電池有許多顯著特點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：(1)工作電壓高。鋰離子電池工作電壓為3.6V，是鎳氫和鎳鎘電池工作電壓的3倍。(2)比能量高。鋰離子電池比能量已達(dá)到150Wh/kg，是鎳鎘電池的3倍，鎳氫電池的1.5倍。(3)循環(huán)壽命長(zhǎng)。目前鋰離子電池循環(huán)壽命已達(dá)到1000次以上，在低放電深度下可達(dá)幾萬(wàn)次，超過(guò)了其它幾種二次電池。(4)自放電率低。鋰離子電池月自放電率僅為68%，遠(yuǎn)低于鎳鎘電池(2530%)和鎳氫電池(1520%)。(5)無(wú)記憶性?？梢愿鶕?jù)要求隨時(shí)充電，而不會(huì)降低電池性能。(6)對(duì)環(huán)境無(wú)污染。鋰離子電池中不存在有害物質(zhì)，是名副其實(shí)的“綠色電池”。(7)能夠制造成任意形狀。,第35頁(yè),3.2.4鋰離子電池,鋰離子電池也有一些不足，主要表現(xiàn)在：(1)成本高。主要是正極材料LiCoO2的價(jià)格高，但按單位瓦時(shí)的價(jià)格來(lái)計(jì)算，已經(jīng)低于鎳氫電池，與鎳鎘電池持平，但高于鉛酸蓄電池。(2)必須有特殊的保護(hù)電路，以防止過(guò)充。,第36頁(yè),3.2.5鋅鎳電池,鋅鎳電池由鎳電極和鋅電極組成，兼有鎘鎳電池中鎳正極長(zhǎng)壽命和鋅銀電池中鋅負(fù)極高容量的優(yōu)越性能，是一種高性能綠色二次動(dòng)力電池。1鋅鎳電池的結(jié)構(gòu)(1)鋅電極；(2)鎳電極；(3)隔膜；(4)電解液。,第37頁(yè),3.2.5鋅鎳電池,2鋅鎳電池的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理鋅鎳電池放電時(shí)總的電化學(xué)反應(yīng)為鋅鎳電池充電時(shí)總的電化學(xué)反應(yīng)為,第38頁(yè),3.2.5鋅鎳電池,3鋅鎳電池的特點(diǎn)(1)比能量高，可達(dá)5080Wh/kg，明顯高于鉛酸和鎳鎘電池；(2)比功率高，僅次于鋰離子電池；(3)工作電壓高，可達(dá)1.65V，高于鎳氫和鎳鎘電池；(4)工作溫度寬，為-2060；(5)無(wú)記憶效應(yīng)；(6)電池的生產(chǎn)和使用過(guò)程對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生污染；(7)價(jià)格低。,第39頁(yè),3.2.6空氣電池,金屬空氣電池是用金屬燃料代替氫能源而形成的一種新概念電池，有望成為新一代綠色能源。它具有無(wú)污染、放電電壓平穩(wěn)、高比能量、內(nèi)阻小、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、工藝技術(shù)要求較低、高比功率等優(yōu)點(diǎn)。1鋅空氣電池鋅空氣電池是以空氣中的氧氣為正極活性物質(zhì)，金屬鋅為負(fù)極活性物質(zhì)的一種新型化學(xué)電源。鋅空氣電池是一種半蓄電池半燃料電池。首先，負(fù)極活性物質(zhì)同鋅錳、鉛酸等蓄電池一樣封裝在電池內(nèi)部，具有蓄電池的特點(diǎn)；其次，正極活性物質(zhì)來(lái)自電池外部的空氣中所含的氧，理論上有無(wú)限容量，是燃料電池的典型特征。,第40頁(yè),3.2.6空氣電池,鋅空氣電池具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)比能量高。鋅空氣電池理論比能量達(dá)到1350Wh/kg以上，實(shí)際比能量在1000Wh/kg以上，屬于大容量高能化學(xué)電源。(2)價(jià)格低廉。陽(yáng)極活性物質(zhì)鋅來(lái)源豐富，價(jià)格便宜。陰極活性物質(zhì)氧氣來(lái)源于周圍空氣，基本等同于現(xiàn)在普通使用的鉛酸蓄電池。(3)性能穩(wěn)定，放電平穩(wěn)。因放電時(shí)陰極催化劑本身不起變化，加之鋅電極電壓穩(wěn)定，故放電時(shí)電壓變化很小。(4)貯存壽命特佳。鋅空氣原電池實(shí)際上是屬于貯備型電池。(5)安全可靠，無(wú)污染。從生產(chǎn)到使用，從新產(chǎn)品到廢品回收，都不會(huì)污染環(huán)境，更不會(huì)燃燒爆炸，堪稱綠色能源。,第41頁(yè),3.2.6空氣電池,鋅空氣電池具有如下缺點(diǎn)：(1)電解液中水分的蒸發(fā)或電解液的吸潮。(2)鋅電極的直接氧化。(3)鋅枝晶的生長(zhǎng)。(4)電解液碳酸化。(5)空氣電極催化劑活性偏低。,第42頁(yè),3.2.6空氣電池,2鋁空氣電池鋁空氣電池是用高純鋁或鋁合金作陽(yáng)極，用空氣(氧)電極作陰極，用堿或鹽作電解液。在放電過(guò)程中陽(yáng)極溶解，空氣中的氧被還原而釋放出電能。鋁空氣電池具有如下優(yōu)越性：(1)鋁是一種活潑金屬，比鋅、鎂之類金屬更有吸引力。(2)鋁空氣電池在現(xiàn)有的小型電池系統(tǒng)中具有最高的比能量。鋁空氣電池由于空氣電極很薄，使得電池很輕巧，適用于便攜式設(shè)備。,第43頁(yè),3.2.6空氣電池,(3)空氣電池可攜帶燃料長(zhǎng)距離行駛，節(jié)約能源，元件可快速更換，是電動(dòng)自行車的理想電源。(4)安全可靠，無(wú)污染，從生產(chǎn)到使用，從新產(chǎn)品到廢品回收，都不會(huì)污染環(huán)境，不會(huì)燃燒爆炸，堪稱綠色能源。(5)鋁的儲(chǔ)量豐富，價(jià)格便宜，鋁是地球上含量最豐富的金屬元素之一。(6)鋁空氣電池?zé)o需充電，補(bǔ)充鋁電極和電解液后即可產(chǎn)生電流。放電曲線平穩(wěn)，放電時(shí)間長(zhǎng)，操作方便。(7)鋁電極的生產(chǎn)工藝和設(shè)備比較簡(jiǎn)單，投資少，研制費(fèi)用低。可設(shè)計(jì)成電解液循環(huán)和不循環(huán)兩種結(jié)構(gòu)形式，便于因使用場(chǎng)合不同而進(jìn)行設(shè)計(jì)。,第44頁(yè),3.2.7蓄電池的充電方法,1蓄電池常規(guī)充電方法蓄電池的常規(guī)充電方法主要有恒流充電法、分段電流充電法、恒壓充電法、恒壓限流充電法等。(1)恒流充電法恒流充電法是通過(guò)調(diào)整充電裝置輸出電壓或改變與蓄電池串聯(lián)電阻的方式使充電電流強(qiáng)度保持不變的充電方法。,第45頁(yè),3.2.7蓄電池的充電方法,(2)分段電流充電法在充電過(guò)程中，為更有效地利用電能而用逐漸減小電流的方法。二階段充電法和三階段充電法。1)二階段充電法二階段充電法采用恒電流和恒電壓相結(jié)合的快速充電方法，如圖所示。,第46頁(yè),3.2.7蓄電池的充電方法,2)三階段充電法三階段充電法在充電開始和結(jié)束時(shí)采用恒電流充電，中間用恒電壓充電。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時(shí)，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段。這種方法可以將出氣量減到最少，但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。,第47頁(yè),3.2.7蓄電池的充電方法,(3)恒壓充電法充電電源的電壓在全部充電時(shí)間里保持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。,第48頁(yè),3.2.7蓄電池的充電方法,(4)恒壓限流充電法為了克服恒壓充電法中初期電流過(guò)大，而使充電設(shè)備不能承受的缺點(diǎn)，常采用恒壓限流充電法來(lái)代替恒壓充電法。在充電第一階段，用恒定的電流充電；在蓄電池電壓達(dá)到一定電壓后，維持此電壓恒定不變，轉(zhuǎn)為第二階段的恒壓充電過(guò)程；當(dāng)充電電流下降到一定值后，繼續(xù)維持恒壓充電大約一小時(shí)即可停止充電。,第49頁(yè),3.2.7蓄電池的充電方法,2蓄電池快速充電法(1)蓄電池快速充電的原理蓄電池的化學(xué)反應(yīng)原理是制定快速充電方法的依據(jù)?？焖俪潆娨敕皆O(shè)法加快蓄電池的化學(xué)反應(yīng)速度(提高充電電壓或電流等)，使之充電速度得到最大的提高；快速充電又要保證負(fù)極的吸收能力，使負(fù)極的吸收能力能夠跟得上正極氧氣產(chǎn)生的速度，同時(shí)要盡可能的消除蓄電池的極化現(xiàn)象。這一原理也表明，蓄電池的快速充電的速度是有上限的，不可能無(wú)限制的提高蓄電池的充電速度。,第50頁(yè),3.2.7蓄電池的充電方法,(2)幾種快速充電方法1)脈沖式充電法脈沖充電法首先是用脈沖電流對(duì)蓄電池充電，然后停充一段時(shí)間，如此循環(huán)。,第51頁(yè),3.2.7蓄電池的充電方法,2)變電流間歇充電法變電流間歇充電法是建立在恒流充電和脈沖充電基礎(chǔ)上，如圖所示。其特點(diǎn)是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充電段。充電前期的各段采用變電流間歇充電的方法，保證加大充電電流，獲得絕大部分充電量。充電后期采用定電壓充電段，獲得過(guò)充電量，將蓄電池恢復(fù)至完全充電態(tài)。,第52頁(yè),3.2.7蓄電池的充電方法,3)變電壓間歇充電法變電壓間歇充電法如圖所示。與變電流間歇充電方法不同之處在于第一階段的不是間歇恒流，而是間歇恒壓。,第53頁(yè),3.2.8蓄電池的性能測(cè)試,1.蓄電池充放電性能測(cè)試（1）蓄電池充電性能測(cè)試蓄電池充電性能主要是指充電效率、充電最高電壓和耐過(guò)充能力等。充電效率是指電池在充電時(shí)充入電池的電能與所消耗的總電能之比，以百分?jǐn)?shù)表示。充電電流的大小、充電方法、充電時(shí)的溫度直接影響到充電效率。充電效率高表示電池接受充電的能力強(qiáng)，一般充電初期充電效率較高，接近100%，充電后期由于電極極化增加，充電效率下降，電極上伴隨有大量的氣體析出。充電最高電壓是指在充電過(guò)程中電池所能達(dá)到的最高電壓。充電電壓越低，說(shuō)明電池在充電過(guò)程中的極化就越小，電池的充電效率就越高，電池的使用壽命就有可能更長(zhǎng)。蓄電池應(yīng)具有良好的耐過(guò)充能力，即使電池處于極端充電條件下，也能擁有較為優(yōu)良的使用性能。,第54頁(yè),3.2.8蓄電池的性能測(cè)試,（2）蓄電池放電性能測(cè)試電池的放電性能受放電時(shí)間、電流、環(huán)境溫度、終止電壓等因素影響，電池的放電方法有恒流放電、恒阻放電、恒壓放電、恒壓恒流放電、連續(xù)放電和間歇放電等，其中恒流放電是最常見(jiàn)的放電方法。放電電流的大小直接影響到電池的放電性能，在標(biāo)注電池的放電性能時(shí)，應(yīng)標(biāo)明放電電流的大小。電池的工作電壓是衡量電池放電性能的一個(gè)重要指標(biāo)，放電曲線反映了整個(gè)放電過(guò)程中工作電壓的變化過(guò)程，是一個(gè)變化的值，因此，一般以中點(diǎn)電壓來(lái)表示工作電壓的大小。中點(diǎn)電壓是指額定放電時(shí)間中點(diǎn)時(shí)刻電池的工作電壓，主要用來(lái)衡量大電流放電系列電池高倍率放電的能力。蓄電池的充放電性能可用電池充放電性能測(cè)試儀來(lái)測(cè)試。,第55頁(yè),3.2.8蓄電池的性能測(cè)試,2.電池容量的測(cè)試電池容量的測(cè)試方法與電池放電性能的測(cè)試方法基本相同，有恒流放電、恒阻放電、恒壓放電、恒壓恒流放電、連續(xù)放電和間歇放電等。根據(jù)放電的時(shí)間和電流的大小可以計(jì)算電池的容量。對(duì)于恒流放電，電池容量等于放電電流和放電時(shí)間的乘積。恒流放電的電池容量不僅與放電電流有很大關(guān)系，而且與放電溫度、充電制度、擱置時(shí)間等也有關(guān)系。電池容量可以用專用的蓄電池容量檢測(cè)儀測(cè)試。,第56頁(yè),3.2.8蓄電池的性能測(cè)試,3.電池壽命的測(cè)試電池壽命是衡量電池性能的一個(gè)重要參數(shù)。在一定的充放電制度下，電池容量降至某一規(guī)定值之前，電池所能承受的循環(huán)次數(shù)，稱為蓄電池的循環(huán)壽命。影響蓄電池循環(huán)壽命的因素有電極材料、電解液、隔膜、制造工藝、充放電制度、環(huán)境溫度等，在進(jìn)行壽命測(cè)試時(shí)，要嚴(yán)格控制測(cè)試條件。通常是在一定的充放電條件下進(jìn)行循環(huán)，然后檢測(cè)電池容量的衰減，當(dāng)蓄電池容量小于額定容量的80%（不同的電池有不同的規(guī)定，鋰離子電池是80%）終止實(shí)驗(yàn)，此時(shí)的循環(huán)次數(shù)就是電池的循環(huán)壽命。對(duì)于不同類型的蓄電池，循環(huán)壽命的測(cè)試規(guī)定是不同的，具體可參考相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）制訂的標(biāo)準(zhǔn)。電池的壽命可以用專用的蓄電池循環(huán)壽命檢測(cè)設(shè)備來(lái)測(cè)試。,第57頁(yè),3.2.8蓄電池的性能測(cè)試,4.電池內(nèi)阻、內(nèi)壓的測(cè)試電池的內(nèi)阻是指電池在工作時(shí)，電流流過(guò)電池內(nèi)部所受到的阻力，一般分為交流內(nèi)阻和直流內(nèi)阻，由于充電電池內(nèi)阻很小，測(cè)直流內(nèi)阻時(shí)由于電極容易極化，產(chǎn)生極化內(nèi)阻，故無(wú)法測(cè)出其真實(shí)值；而測(cè)其交流內(nèi)阻可免除極化內(nèi)阻的影響，得出真實(shí)的內(nèi)阻值。交流內(nèi)阻測(cè)試方法是利用電池等效于一個(gè)有源電阻的特點(diǎn)，給電池一個(gè)1000Hz、50mA的恒定電流，對(duì)其電壓采樣整流濾波等一系列處理從而精確地測(cè)量其阻值。可用專門的內(nèi)阻儀來(lái)測(cè)試。電池的內(nèi)壓是由于充放電過(guò)程中產(chǎn)生的氣體所形成的壓力，主要受電池材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)、使用方法等因素影響。一般電池內(nèi)壓均維持在正常水平，在過(guò)充或過(guò)放情況下，電池內(nèi)壓有可能會(huì)升高。,第58頁(yè),3.2.8蓄電池的性能測(cè)試,5.高低溫環(huán)境下電池性能的測(cè)試電動(dòng)汽車動(dòng)力電池可能會(huì)在不同的環(huán)境溫度下使用，高溫或低溫對(duì)電池的充電或放電性能都有影響，應(yīng)分別對(duì)各溫度下電池充放電性能進(jìn)行測(cè)試。在QC/T743-2006電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池中規(guī)定，要對(duì)電池在-20的低溫、20常溫和55的高溫進(jìn)行放電性能的測(cè)試。要求按規(guī)定的方法測(cè)試時(shí)，在-20時(shí)，其容量應(yīng)不低于額定值的70%；在55時(shí)，其容量應(yīng)不低于額定值的95%；在20高倍率放電時(shí)，對(duì)于能量型蓄電池，其容量應(yīng)不低于額定值的90%；對(duì)于功率型蓄電池，其容量應(yīng)不低于額定值的80%。高低溫測(cè)試所需的儀器和充放電性能測(cè)試基本是一致的，只是在恒溫箱中測(cè)定不同溫度下的電池性能。,第59頁(yè),3.2.8蓄電池的性能測(cè)試,6.自放電及儲(chǔ)存性能的測(cè)試電池的儲(chǔ)存性能是指電池開路時(shí)，在一定的溫度、濕度等條件下儲(chǔ)存時(shí)容量下降率的大小，是衡量電池綜合性能穩(wěn)定程度的一個(gè)重要參數(shù)。電池經(jīng)過(guò)一定時(shí)間儲(chǔ)存后，允許電池的容量及內(nèi)阻有一定程度的變化。經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的儲(chǔ)存，可以讓內(nèi)部各成分的電化學(xué)性能穩(wěn)定下來(lái)，可以了解該電池的自放電性能的大小，以便保證電池的品質(zhì)。自放電又稱荷電保持能力，它是指在開路狀態(tài)下，電池儲(chǔ)存的電量在一定環(huán)境條件下的保持能力。一般而言，自放電主要受制造工藝、材料、儲(chǔ)存條件的影響。自放電是衡量電池性能的主要參數(shù)之一。一般而言，電池儲(chǔ)存溫度越低，自放電率也越低，但也應(yīng)注意溫度過(guò)低或過(guò)高均有可能造成電池?fù)p壞無(wú)法使用。電池充滿電開路擱置一段時(shí)間后，一定程度的自放電屬于正?，F(xiàn)象。,第60頁(yè),3.2.8蓄電池的性能測(cè)試,7.電池安全性能測(cè)試電池的安全性測(cè)試項(xiàng)目非常多，不同類型的電池，安全性能測(cè)試項(xiàng)目也不同，可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇測(cè)試。,第61頁(yè),3.3燃料電池,3.3.1燃料電池的分類3.3.2燃料電池電動(dòng)汽車對(duì)燃料電池的要求3.3.3燃料電池的特點(diǎn)3.3.4燃料電池系統(tǒng)3.3.5質(zhì)子交換膜燃料電池3.3.6堿性燃料電池3.3.7磷酸燃料電池3.3.8熔融碳酸鹽燃料電池3.3.9固體氧化物燃料電池3.3.10直接甲醇燃料電池3.3.11微生物燃料電池3.3.12再生型燃料電池,第62頁(yè),3.3.1燃料電池的分類,1按燃料電池的運(yùn)行機(jī)理分類根據(jù)燃料電池的運(yùn)行機(jī)理的不同，可分為(1)酸性燃料電池；(2)堿性燃料電池。,第63頁(yè),3.3.1燃料電池的分類,2按電解質(zhì)分類(1)質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)；(2)堿性燃料電池(AFC)；(3)磷酸燃料電池(PAFC)；(4)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)；(5)固體氧化物燃料電池(SOFC)；(6)直接甲醇燃料電池(DMFC)；(7)再生型燃料電池(RFC)；(8)鋅空燃料電池(ZAFC)；(9)質(zhì)子陶瓷燃料電池(PCFC)等。,第64頁(yè),3.3.1燃料電池的分類,3按燃料使用類型分類根據(jù)燃料電池的燃料使用類型不同，可分為(1)直接型燃料電池；(2)間接型燃料電池；(3)再生型燃料電池。,第65頁(yè),3.3.1燃料電池的分類,4按燃料種類分類根據(jù)燃料電池使用燃料的種類，可分為(1)氫燃料電池；(2)甲醇燃料電池；(3)乙醇燃料電池等。,第66頁(yè),3.3.1燃料電池的分類,5按工作溫度分類根據(jù)燃料電池工作溫度的不同，可分為(1)低溫型(溫度低于200)；(2)中溫型(溫度為200750)；(3)高溫型(溫度為7501000)；(4)超高溫型(溫度高于1000)。,第67頁(yè),3.3.1燃料電池的分類,6按燃料狀態(tài)分類根據(jù)燃料電池的燃料狀態(tài)不同，可分為(1)液體型燃料電池；(2)氣體型燃料電池。,第68頁(yè),3.3.2燃料電池電動(dòng)汽車對(duì)燃料電池的要求,FCEV對(duì)燃料電池性能基本要求有以下幾方面：(1)燃料電池的比能量不低于150200Wh/kg，比功率不低于300400W/kg，要求達(dá)到或超過(guò)美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合體所提出的電池性能和使用壽命的指標(biāo)；(2)可以在-20的條件下起動(dòng)和工作，有可靠的安全性和密封性，不會(huì)發(fā)生燃料氣體的結(jié)冰和燃料氣體的泄漏；(3)各種結(jié)構(gòu)件有足夠的強(qiáng)度和可靠性，可以在負(fù)荷變化情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并能夠耐受FCEV行駛時(shí)的振動(dòng)和沖擊；,第69頁(yè),3.3.2燃料電池電動(dòng)汽車對(duì)燃料電池的要求,(4)FCEV除排放達(dá)到零污染的要求外，動(dòng)力性能要求基本達(dá)到或接近內(nèi)燃機(jī)汽車的動(dòng)力性能的水平，性能穩(wěn)定可靠；(5)各種輔助技術(shù)裝備的外形尺寸和輔助技術(shù)裝備的質(zhì)量應(yīng)盡可能地減小，以符合FCEV的裝車要求；(6)燃料充添方便、迅速，燃料電池能夠方便地進(jìn)行電極和催化劑的更換和修理；(7)所配置的輔助電源，應(yīng)能滿足提供起動(dòng)電能和儲(chǔ)存制動(dòng)反饋電能的要求。,第70頁(yè),3.3.3燃料電池的特點(diǎn),1燃料電池的優(yōu)點(diǎn)(1)節(jié)能、轉(zhuǎn)換效率高。燃料電池在額定功率下的效率可以達(dá)到60%，而在部分功率輸出條件下運(yùn)轉(zhuǎn)效率可以達(dá)到70%，在過(guò)載功率輸出條件下運(yùn)轉(zhuǎn)效率可以達(dá)到5055%。(2)排放基本達(dá)到零污染。屬于“超低污染”，氫氧燃料電池的反應(yīng)產(chǎn)物只有清潔的水。(3)無(wú)振動(dòng)和噪聲、壽命長(zhǎng)。在整個(gè)工作過(guò)程中，沒(méi)有噪聲和機(jī)械振動(dòng)的產(chǎn)生，從而減少機(jī)械器件的磨損，延長(zhǎng)了使用壽命。(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)。,第71頁(yè),3.3.3燃料電池的特點(diǎn),2燃料電池的缺點(diǎn)(1)燃料種類單一。是燃料電池的唯一燃料。氫氣的產(chǎn)生、儲(chǔ)存、保管、運(yùn)輸和灌裝或重整，都比較復(fù)雜，對(duì)安全性要求很高。(2)要求高質(zhì)量的密封。密封不良的燃料電池，氫氣會(huì)泄漏到燃料電池的外面，降低了氫的利用率并嚴(yán)重影響燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，還會(huì)引起氫氣燃燒事故。由于要求嚴(yán)格的密封，使得燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的制造工藝很復(fù)雜，并給使用和維護(hù)帶來(lái)很多困難。(3)價(jià)格高。制造成本高，電池價(jià)格昂貴。(4)需要配備輔助電池系統(tǒng)。燃料電池可以持續(xù)發(fā)電，但不能充電和回收燃料電池汽車再生制動(dòng)的反饋能量。通常在燃料電池汽車上還要增加輔助電池，來(lái)儲(chǔ)存燃料電池富裕的電能和在燃料電池汽車減速時(shí)接受再生制動(dòng)時(shí)的能量。,第72頁(yè),3.3.4燃料電池系統(tǒng),燃料電池實(shí)際上不是“電池”，而是一個(gè)大的發(fā)電系統(tǒng)。對(duì)于質(zhì)子交換膜燃料電池，需要有燃料供應(yīng)系統(tǒng)、氧化劑系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電力系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等組成。氫的存儲(chǔ)與輸送是燃料電池應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前有兩種方式，儲(chǔ)氫和重整制氫。,第73頁(yè),3.3.4燃料電池系統(tǒng),1儲(chǔ)氫前使用比較廣泛的儲(chǔ)氫技術(shù)有高壓儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫和儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫。這三種技術(shù)在實(shí)際運(yùn)用中的效果很大程度上受到材料性能的制約。儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)，尤其是使用碳納米管儲(chǔ)氫時(shí)，效果更理想。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展主要集中開發(fā)密度更小、強(qiáng)度更高的材料，以提高儲(chǔ)氫罐內(nèi)的壓力；開發(fā)絕熱性能更好的材料，以減少液氫的蒸發(fā)，提高使用時(shí)的安全性；開發(fā)高容量的儲(chǔ)氫材料，特別是碳納米管等的制造技術(shù)。,第74頁(yè),3.3.4燃料電池系統(tǒng),2重整制氫燃料電池使用的燃料氫氣可以由重整器提供。重整器使用的原料可以是天然氣、汽油、柴油等各種烴類以及甲醇、酒精等各種醇類燃料。目前使用的重整技術(shù)主要有蒸汽重整、部分氧化和催化部分氧化重整、自動(dòng)供熱重整以及等離子體重整等。不同的重整技術(shù)在結(jié)構(gòu)、效率和對(duì)燃料的適應(yīng)性等方面有不同的特點(diǎn)，并在不同的使用條件下發(fā)揮出它們各自的優(yōu)勢(shì)。蒸汽重整是目前使用最廣泛的制氫方式。,第75頁(yè),3.3.4燃料電池系統(tǒng),(1)蒸汽重整。蒸汽重整是一個(gè)化學(xué)過(guò)程，其中，氫通過(guò)碳?xì)浠衔锶剂虾透邷厮羝g的化學(xué)反應(yīng)生成。蒸汽重整器的發(fā)展經(jīng)歷了常規(guī)型、熱交換型和平板型3個(gè)過(guò)程。常規(guī)型蒸汽重整器的容量較大，目前已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但工作條件高(850，1.52.5MPa)，制造成本較高，容量大啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，如果生產(chǎn)出來(lái)的氫氣不能及時(shí)使用，儲(chǔ)存也有困難。熱交換型重整器外形尺寸大大減小，工作條件降低(700，0.3MPa)，制造成本下降，且隨負(fù)荷變化性能較好，目前已成功應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)中。近年來(lái)出現(xiàn)的平板型結(jié)構(gòu)更加緊湊，成本進(jìn)一步降低，但目前技術(shù)還不成熟。如果在擴(kuò)大催化劑的使用范圍和延長(zhǎng)使用壽命上有突破，將會(huì)在蒸汽重整裝置中很有競(jìng)爭(zhēng)力。,第76頁(yè),3.3.4燃料電池系統(tǒng),(2)部分氧化重整。部分氧化重整將燃料與氧相結(jié)合制氫，并生成一氧化碳。部分氧化重整的產(chǎn)氫率比蒸汽重整的低，但它結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、起動(dòng)時(shí)間短、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，對(duì)燃料的適應(yīng)性也更強(qiáng)，因而更具潛力。但是，如果采用無(wú)催化系統(tǒng)，常有碳煙和其它副產(chǎn)物生成；而采用有催化劑系統(tǒng)，又常因催化劑表面的局部高溫而損傷催化劑，在反應(yīng)過(guò)程中的穩(wěn)定性也是一大難題。部分氧化重整最好用純氧，但價(jià)格較高；雖然它也可使用燃料氣與空氣混合，但反應(yīng)后需加凈化處理裝置，其成本亦很高。,第77頁(yè),3.3.4燃料電池系統(tǒng),(3)自動(dòng)供熱重整。自動(dòng)供熱重整將燃料與水蒸汽兩者結(jié)合，因此，由水蒸汽重整反應(yīng)吸收的熱量平衡了從部分氧化重整反應(yīng)中所放出的熱量。自動(dòng)供熱重整相對(duì)于蒸汽重整結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需龐大的換熱裝置，制造成本低，對(duì)燃料的要求也降低，可使用醇類和重?zé)N類的液體燃料；相對(duì)于部分氧化重整來(lái)說(shuō)，自動(dòng)供熱重整由于氧化反應(yīng)放出的熱量直接被吸熱的蒸汽重整反應(yīng)吸收，所以系統(tǒng)的效率也提高了。但自動(dòng)供熱重整要求同時(shí)調(diào)節(jié)好氧氣、水蒸汽和燃料之間的比例，控制比較困難，并且在重整中易產(chǎn)生積碳現(xiàn)象而損傷催化劑。,第78頁(yè),3.3.4燃料電池系統(tǒng),(4)等離子體重整。等離子體重整是一種先進(jìn)的制氫技術(shù)，它采用等離子激發(fā)重整反應(yīng)的發(fā)生，可在滿足制氫效率的情況下進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)，同時(shí)降低成本。一般等離子重整器在中小型制氫系統(tǒng)上經(jīng)濟(jì)效益比較明顯，因?yàn)榈入x子的能量密度很高，使得重整器結(jié)構(gòu)緊湊、起動(dòng)快、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，基本不需要催化劑，而且它對(duì)燃料的適應(yīng)性很強(qiáng)，除輕質(zhì)烴外，各種重質(zhì)烴、重油、生物質(zhì)燃料甚至垃圾燃料都可用。等離子制氫技術(shù)可分為熱等離子和冷等離子兩種，產(chǎn)生氫氣的過(guò)程與傳統(tǒng)技術(shù)一樣，它也包括蒸汽重整、部分氧化和熱分解等。采用熱等離子技術(shù)，反應(yīng)氣體溫度高，熱損大且不易控制。溫度升高也產(chǎn)生了對(duì)電極的腐蝕。等離子重整器不宜工作在高壓下，因?yàn)樵诟邏合孪拗屏穗娀〉撵`活性，增加了電極的腐蝕，而減少電極壽命。,第79頁(yè),3.3.5質(zhì)子交換膜燃料電池,1.質(zhì)子交換膜燃料電池的基本結(jié)構(gòu)PEMFC由質(zhì)子交換膜，催化劑層，擴(kuò)散層、集流板(又稱雙極板)組成，如圖3.15所示。,第80頁(yè),3.3.5質(zhì)子交換膜燃料電池,2質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理PEMFC在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。其單電池由陽(yáng)極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)。,第81頁(yè),3.3.5質(zhì)子交換膜燃料電池,3.質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)PEMFC的優(yōu)點(diǎn)主要有：(1)能量轉(zhuǎn)化效率高。不通過(guò)熱機(jī)過(guò)程，不受卡諾循環(huán)的限制。(2)可實(shí)現(xiàn)零排放。沒(méi)有污染物排放，是環(huán)保型能源。(3)運(yùn)行噪聲低，可靠性高。無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，僅有氣體和水流動(dòng)。(4)維護(hù)方便。內(nèi)部構(gòu)造簡(jiǎn)單，電池模塊呈現(xiàn)自然的“積木化”結(jié)構(gòu)，使得電池組的組裝和維護(hù)都非常方便，也很容易實(shí)現(xiàn)“免維護(hù)”設(shè)計(jì)。(5)發(fā)動(dòng)效率平穩(wěn)。(6)氫來(lái)源廣泛。(7)技術(shù)成熟。氫氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用等技術(shù)目前均已非常成熟、安全、可靠。,第82頁(yè),3.3.5質(zhì)子交換膜燃料電池,PEMFC的缺點(diǎn)主要有：(1)成本高。因?yàn)槟げ牧虾痛呋瘎┚职嘿F。(2)對(duì)氫的純度要求高。這種電池需要純凈的氫。因?yàn)镻EMFC的工作溫度低，啟動(dòng)速度較快，功率密度較高(體積較小)，所以很適于用作新一代交通工具動(dòng)力。世界各大汽車集團(tuán)競(jìng)相投入巨資，研究開發(fā)電動(dòng)汽車和代用燃料汽車。從目前發(fā)展情況看，PEMFC是技術(shù)最成熟的電動(dòng)車動(dòng)力源，PEMFC電動(dòng)汽車被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是電動(dòng)汽車的未來(lái)發(fā)展方向。燃料電池將會(huì)成為繼蒸汽機(jī)和內(nèi)燃機(jī)之后的第三代動(dòng)力系統(tǒng)。,第83頁(yè),3.3.6堿性燃料電池,1堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)與工作原理堿性燃料電池(AFC)以強(qiáng)堿為電解質(zhì)，氫氣為燃料，純氧或脫除微量二氧化碳的空氣為氧化劑，采用對(duì)氧電化學(xué)還原具有良好催化活性的Pt/C、Ag等為電催化劑制備的多孔氣體擴(kuò)散電極為氧化極，以Pt-Pd/C、Pt/C等具有良好催化氫電化學(xué)氧化的電催化劑制備的多孔氣體電極為氫電極。,第84頁(yè),3.3.6堿性燃料電池,2堿性燃料電池的特點(diǎn)AFC與其它類型燃料電池相比，具有以下特點(diǎn)：(1)AFC具有較高的效率(50%55%)；(2)工作溫度大約80，因此，它們的啟動(dòng)也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十幾倍；(3)性能可靠，可用非貴金屬作催化劑；(4)是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池；(5)是技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水，用于交通工具，具有一定的發(fā)展和應(yīng)用前景；(6)使用具有腐蝕性的液態(tài)電解質(zhì)，具有一定的危險(xiǎn)性和容易造成環(huán)境污染，此外，為解決CO2毒化所采用的一些方法，如使用循環(huán)電解液，吸收CO2等增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。,第85頁(yè),3.3.7磷酸燃料電池,磷酸燃料電池(簡(jiǎn)稱PAEC)是以酸為導(dǎo)電電解質(zhì)的酸性燃料電池。1磷酸燃料電池的結(jié)構(gòu)PAEC的電池片由基材及肋條板觸媒層所組成的燃料極、保持磷酸的電解質(zhì)層、與燃料極具有相同構(gòu)造的空氣極構(gòu)成。,第86頁(yè),3.3.7磷酸燃料電池,2磷酸燃料電池的工作原理PAEC使用液體磷酸為電解質(zhì)，通常位于碳化硅基質(zhì)中。當(dāng)以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑時(shí)，在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。,第87頁(yè),3.3.7磷酸燃料電池,3磷酸燃料電池的特點(diǎn)PAEC的工作溫度要比PEMFC和AFC的工作溫度略高，位于150200左右，但仍需電極上的白金催化劑來(lái)加速反應(yīng)。PAEC的效率比其它燃料電池低，約為40%，其加熱的時(shí)間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長(zhǎng)。PAEC具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、電解質(zhì)揮發(fā)度低等優(yōu)點(diǎn)。PAEC可用作公共汽車的動(dòng)力，而且有許多這樣的系統(tǒng)正在運(yùn)行，不過(guò)這種電池很難用在轎車上。目前，PAEC能成功地用于固定的應(yīng)用，已有許多發(fā)電能力為0.220MW的工作裝置被安裝在世界各地，為醫(yī)院、學(xué)校和小型電站提供電力。,第88頁(yè),3.3.8熔融碳酸鹽燃料電池,1熔融碳酸鹽燃料電池的結(jié)構(gòu)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽(yáng)極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池。單體的MCFC一般是平板型的，由電極-電解質(zhì)、燃料流通道、氧化劑流通道和上下隔板組成。單體的上下為隔板/電流采集板，中間部分是電解質(zhì)板，電解質(zhì)板的兩側(cè)為多孔的陽(yáng)極極板和陰極極板，其電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽。,第89頁(yè),3.3.8熔融碳酸鹽燃料電池,2熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理燃料電池工作過(guò)程實(shí)質(zhì)上是燃料的氧化和氧化劑的還原過(guò)程。燃料和氧化劑氣體流經(jīng)陽(yáng)極和陰極通道。氧化劑中的O2和CO2在陰極與電子進(jìn)行氧化反應(yīng)產(chǎn)生CO32-，電解質(zhì)板中的CO32-直接從陰極移動(dòng)到陽(yáng)極，燃料氣中的H2與CO32-在陽(yáng)極發(fā)生反應(yīng)，生成了CO2、H2O和電子。電子被集流板收集起來(lái)，然后到達(dá)隔板。隔板位于燃料電池單元的上部和下部，并和負(fù)載設(shè)備相連，從而構(gòu)成了包括電子傳輸和離子移動(dòng)在內(nèi)的完整的回路。,第90頁(yè),3.3.8熔融碳酸鹽燃料電池,3熔融碳酸鹽燃料電池的特點(diǎn)MCFC是一種高溫電池(600700)，具有效率高(高于40%)、噪音低、無(wú)污染、燃料多樣化(氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等)、余熱利用價(jià)值高和電池構(gòu)造材料價(jià)廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)的綠色電站。,第91頁(yè),3.3.9固體氧化物燃料電池,固體氧化物燃料電池(SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中高溫下直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。1固體氧化物燃料電池的結(jié)構(gòu)SOFC單體主要由電解質(zhì)、陽(yáng)極或燃料極、陰極或空氣極和連接體或雙極板組成。,第92頁(yè),3.3.9固體氧化物燃料電池,2固體氧化物燃料電池的工作原理SOFC工作時(shí)，電子由陽(yáng)極經(jīng)外電路流向陰極，氧離子經(jīng)電解質(zhì)由陰極流向陽(yáng)極。,第93頁(yè),3.3.9固體氧化物燃料電池,3固體氧化物燃料電池的特點(diǎn)除具備燃料電池高效、清潔、環(huán)境友好的共性外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)SOFC是全固態(tài)的電池結(jié)構(gòu)，不存在電解質(zhì)滲漏問(wèn)題，無(wú)需配置電解質(zhì)管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命運(yùn)行；(2)對(duì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，可直接用天然氣、煤氣和其他碳?xì)浠衔镒鳛槿剂希?3)SOFC發(fā)電效率高，能量密度大，能量轉(zhuǎn)換效率高；(4)工作溫度高，電極反應(yīng)速度快，不需要使用貴金屬作電催化劑；(5)可使用高溫進(jìn)行內(nèi)部燃料重整，使系統(tǒng)優(yōu)化；(6)低排放、低噪聲；(7)廢熱的再利用價(jià)值高。(8)陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運(yùn)行(6001000)，加快了電池的反應(yīng)進(jìn)行，還可以實(shí)現(xiàn)多種碳?xì)淙剂蠚怏w的內(nèi)部還原，簡(jiǎn)化了設(shè)備。,第94頁(yè),3.3.9固體氧化物燃料電池,SOFC也存在不足之處：(1)氧化物電解質(zhì)材料為陶瓷材料，質(zhì)脆易裂，電堆組裝較困難；(2)高溫?zé)釕?yīng)力作用會(huì)引起電池龜裂，所以主要部件的熱膨脹率應(yīng)嚴(yán)格匹配；(3)存在自由能損失；(4)工作溫度高，預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)，不適用于需經(jīng)常啟動(dòng)的非固定場(chǎng)所。,第95頁(yè)