1、第七章第七章 電動(dòng)汽車共性裝置電動(dòng)汽車共性裝置 第一節(jié)第一節(jié) 蓄電池蓄電池 第二節(jié)第二節(jié) 燃料電池燃料電池 第三節(jié)第三節(jié) 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī) 教學(xué)目的和要求：教學(xué)目的和要求： 了解蓄電池、燃料電池和電動(dòng)機(jī)分類、掌握工了解蓄電池、燃料電池和電動(dòng)機(jī)分類、掌握工作原理、特點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)。作原理、特點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)。 本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)： 燃料電池、電動(dòng)機(jī)燃料電池、電動(dòng)機(jī) 本章難點(diǎn)：燃料電池本章難點(diǎn)：燃料電池 教學(xué)內(nèi)容要點(diǎn)：教學(xué)內(nèi)容要點(diǎn)： 電池、電機(jī)和控制系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件，電池、電機(jī)和控制系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件，這是任何一種電動(dòng)汽車不可或缺的共性裝這是任何一種電動(dòng)汽車不可或缺的共性裝置。置。第一節(jié)第一節(jié) 蓄電池蓄電池

2、蓄電池是一種儲(chǔ)存能量、向外傳送能量（放電）蓄電池是一種儲(chǔ)存能量、向外傳送能量（放電）和從外部接受能量（充電）的和從外部接受能量（充電）的能量存儲(chǔ)裝置。能量存儲(chǔ)裝置。 一、概述一、概述1電池的分類電池的分類 物理電池、生物電池和化學(xué)電池物理電池、生物電池和化學(xué)電池 化學(xué)電池常見(jiàn)的分類： （1）按電解液種類分類 堿性電池、酸性電池、中性電池及有機(jī)電解液電池四類。 （2）按電池所用正、負(fù)極材料分類 鋅系列電池、鎳系列電池、鉛系列電池、鋰系列電池、二氧化錳系列電池及空氣(氧氣)系列電池等。 （3）按工作性質(zhì)和儲(chǔ)存方式分類 一次電池、二次電池、燃料電池、儲(chǔ)備電池四類。蓄電池(storage batter

3、y)習(xí)慣上指鉛酸蓄電池，也屬于二次電池（相對(duì)于一次電池，二次電池是指可充電電池）。 電池作為電動(dòng)汽車動(dòng)力能源電池作為電動(dòng)汽車動(dòng)力能源,使用的電池使用的電池主要指二次電池主要指二次電池(蓄電池蓄電池)、燃料電池兩類、燃料電池兩類 2電池的工作原理電池的工作原理 電池正極電池正極P和負(fù)極和負(fù)極N都浸都浸在電解液在電解液E中。中。 放電放電時(shí)，負(fù)極發(fā)生氧化時(shí)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)向外電路釋放電子，反應(yīng)向外電路釋放電子，正極發(fā)生還原反應(yīng)，從外正極發(fā)生還原反應(yīng)，從外電路得到電子。電路得到電子。 充電充電時(shí)，過(guò)程正好相反，時(shí)，過(guò)程正好相反，負(fù)極得到電子發(fā)生還原反負(fù)極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，正極失去電子發(fā)生氧應(yīng)，

4、正極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)?；磻?yīng)。 3蓄電池的主要性能指標(biāo)蓄電池的主要性能指標(biāo) 電壓、電池容量、能量、功率、電池的內(nèi)阻、電壓、電池容量、能量、功率、電池的內(nèi)阻、電池的放電深度、電池的循環(huán)使用壽命、放電速電池的放電深度、電池的循環(huán)使用壽命、放電速率、自放電率、成本等。率、自放電率、成本等。 （1）電壓（）電壓（V） 電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)勢(shì)：電池正極和負(fù)極之間的電位差：電池正極和負(fù)極之間的電位差E。 開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓：電池在開(kāi)路時(shí)的端電壓，一般開(kāi)路電：電池在開(kāi)路時(shí)的端電壓，一般開(kāi)路電壓與電池的電動(dòng)勢(shì)近似相等。壓與電池的電動(dòng)勢(shì)近似相等。 額定電壓額定電壓：電池在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下工作時(shí)應(yīng)達(dá)到：電池在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下

5、工作時(shí)應(yīng)達(dá)到的電壓。的電壓。 工作電壓工作電壓：在電池兩端接上負(fù)載：在電池兩端接上負(fù)載R后，在放電過(guò)后，在放電過(guò)程中顯示出的電壓，也叫做負(fù)載電壓或放電電壓。程中顯示出的電壓，也叫做負(fù)載電壓或放電電壓。 終止電壓終止電壓：電池在一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下：電池在一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下放電時(shí)，電池的電壓將逐漸降低，當(dāng)電池再不宜繼放電時(shí)，電池的電壓將逐漸降低，當(dāng)電池再不宜繼續(xù)放電時(shí)，電池的最低工作電壓稱為終止電壓。續(xù)放電時(shí)，電池的最低工作電壓稱為終止電壓。 （2）電池容量（）電池容量（Ah） 電池容量是指充滿電的電池在指定的條件下放電到終止電電池容量是指充滿電的電池在指定的條件下放電到終止電壓時(shí)

6、輸出的電量。壓時(shí)輸出的電量。 理論容量理論容量：根據(jù)蓄電池活性物質(zhì)的特性，按法拉第定律：根據(jù)蓄電池活性物質(zhì)的特性，按法拉第定律計(jì)算出的最高理論值，一般用質(zhì)量容量計(jì)算出的最高理論值，一般用質(zhì)量容量Ah/kg或體積容量或體積容量Ah/L來(lái)表示。來(lái)表示。 實(shí)際容量實(shí)際容量：在一定條件下所能輸出的電量，等于放電電：在一定條件下所能輸出的電量，等于放電電流與放電時(shí)間的乘積。流與放電時(shí)間的乘積。 標(biāo)稱容量標(biāo)稱容量（公稱容量）：按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的條件下，（公稱容量）：按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的條件下，廠家標(biāo)出的電池應(yīng)保證具有的存儲(chǔ)電量。廠家標(biāo)出的電池應(yīng)保證具有的存儲(chǔ)電量。 額定容量額定容量（保證容量）：按一定標(biāo)準(zhǔn)所

7、規(guī)定的放電條件（保證容量）：按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下，電池應(yīng)該放出的最低限度的容量。下，電池應(yīng)該放出的最低限度的容量。 電池的荷電狀態(tài)（電池的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC） 描述電池剩余容量占額定容量的百分比。描述電池剩余容量占額定容量的百分比。 (3)能量（能量（Wh，kWh） 電池的能量是指在按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電制度下，電電池的能量是指在按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電制度下，電池所輸出的電能，它池所輸出的電能，它決定電動(dòng)汽車的行駛距離決定電動(dòng)汽車的行駛距離。 標(biāo)稱能量標(biāo)稱能量：按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下，電池所輸：按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下，電池所輸出的能量，電池的標(biāo)

8、稱能量是電池的額定容量與額定電壓出的能量，電池的標(biāo)稱能量是電池的額定容量與額定電壓的乘積。的乘積。 實(shí)際能量實(shí)際能量：在一定條件下電池所能輸出的能量，電池的：在一定條件下電池所能輸出的能量，電池的實(shí)際能量是電池的實(shí)際容量與平均工作電壓的乘積。電池實(shí)際能量是電池的實(shí)際容量與平均工作電壓的乘積。電池的質(zhì)量包括電池本身結(jié)構(gòu)件質(zhì)量和電解質(zhì)質(zhì)量的總和。的質(zhì)量包括電池本身結(jié)構(gòu)件質(zhì)量和電解質(zhì)質(zhì)量的總和。 比能量比能量（Wh/kg） 指動(dòng)力電池組指動(dòng)力電池組單位質(zhì)量單位質(zhì)量中所能輸出的能量。中所能輸出的能量。 能量密度能量密度（Wh/L） 指動(dòng)力電池組的能量密度是指動(dòng)力電池組指動(dòng)力電池組的能量密度是指動(dòng)力電池

9、組單位體積單位體積中所能中所能輸出的能量。輸出的能量。 (4) 功率（功率（W、kW） 在一定的放電制度下，電池在單位時(shí)間內(nèi)所輸出的能量，在一定的放電制度下，電池在單位時(shí)間內(nèi)所輸出的能量，電池的功率電池的功率決定混合動(dòng)力為汽車的加速性能決定混合動(dòng)力為汽車的加速性能。 比功率（比功率（W/kg） 指電池單位質(zhì)量中所具有電能的功率。指電池單位質(zhì)量中所具有電能的功率。 功率密度（功率密度（W/L） 指電池單位體積中所具有的電能的功率。指電池單位體積中所具有的電能的功率。 （5）電池的內(nèi)阻）電池的內(nèi)阻 電流通過(guò)電池內(nèi)部時(shí)受到的阻力，使電池的電壓降低，電流通過(guò)電池內(nèi)部時(shí)受到的阻力，使電池的電壓降低，此阻

10、力稱為電池的內(nèi)阻。此阻力稱為電池的內(nèi)阻。 （6）電池的放電深度（）電池的放電深度（Depth of Discharge，DOD） 電池的放電深度是指電池已經(jīng)放出的電量與電池額定容電池的放電深度是指電池已經(jīng)放出的電量與電池額定容量的比值量的比值。 （7）電池的循環(huán)使用壽命）電池的循環(huán)使用壽命 指以電池充電和放電一次為一個(gè)循環(huán)。按一定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，指以電池充電和放電一次為一個(gè)循環(huán)。按一定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池容量降到某一規(guī)定值（我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為額定值的當(dāng)電池容量降到某一規(guī)定值（我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為額定值的80%）以前，電池經(jīng)歷的充放電循環(huán)總次數(shù)。）以前，電池經(jīng)歷的充放電循環(huán)總次數(shù)。 （8）放電速率（放電率）放電速率

11、（放電率） 一般用電池在放電時(shí)的時(shí)間或放電電流與額定電流的比一般用電池在放電時(shí)的時(shí)間或放電電流與額定電流的比例來(lái)表示。例來(lái)表示。 時(shí)率時(shí)率：電池以某種電流強(qiáng)度放電直到電池的電壓降低到：電池以某種電流強(qiáng)度放電直到電池的電壓降低到終止電壓時(shí)，所經(jīng)過(guò)的放電時(shí)間。終止電壓時(shí)，所經(jīng)過(guò)的放電時(shí)間。 倍率倍率：電池以某種電流強(qiáng)度放電的數(shù)值為額定容量數(shù)值：電池以某種電流強(qiáng)度放電的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)。的倍數(shù)。 （9）自放電率）自放電率 自放電率指電池在存放時(shí)間內(nèi)，在沒(méi)有負(fù)荷的條件下自自放電率指電池在存放時(shí)間內(nèi)，在沒(méi)有負(fù)荷的條件下自身放電，使得電池容量損失的速度，自放電率用單位時(shí)間身放電，使得電池容量損失的

12、速度，自放電率用單位時(shí)間（月（月/年）內(nèi)電池容量下降的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。年）內(nèi)電池容量下降的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。 （10）成本）成本 電池的成本是與電池的技術(shù)含量、材料、制作電池的成本是與電池的技術(shù)含量、材料、制作方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)，目前新開(kāi)發(fā)的高比能量的方法和生產(chǎn)規(guī)模有關(guān)，目前新開(kāi)發(fā)的高比能量的電池成本較高，使得電動(dòng)汽車的造價(jià)也較高，電池成本較高，使得電動(dòng)汽車的造價(jià)也較高，開(kāi)開(kāi)發(fā)和研制高效、低成本的電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的發(fā)和研制高效、低成本的電池是電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵。關(guān)鍵。 除上述主要性能指標(biāo)外，還有除上述主要性能指標(biāo)外，還有環(huán)境、安全環(huán)境、安全等指等指標(biāo)。電池標(biāo)。電池毒性毒性大小、對(duì)周圍環(huán)境的污染或腐

13、蝕程大小、對(duì)周圍環(huán)境的污染或腐蝕程度等也是電池的一個(gè)重要指標(biāo)。度等也是電池的一個(gè)重要指標(biāo)。 4電動(dòng)汽車對(duì)蓄電池的基本要求電動(dòng)汽車對(duì)蓄電池的基本要求 （1）比能量）比能量 比能量是保證比能量是保證EV能夠達(dá)到基本合理的行駛里程的重要性能夠達(dá)到基本合理的行駛里程的重要性能，能，2h放電率時(shí)電池的比能量至少不低于放電率時(shí)電池的比能量至少不低于44Wh/kg。 （2）充電時(shí)間短）充電時(shí)間短 電池對(duì)充電技術(shù)沒(méi)有特殊要求，能夠?qū)崿F(xiàn)感應(yīng)充電。電池電池對(duì)充電技術(shù)沒(méi)有特殊要求，能夠?qū)崿F(xiàn)感應(yīng)充電。電池的正常充電時(shí)間應(yīng)小于的正常充電時(shí)間應(yīng)小于6h，電池能夠適應(yīng)快速充電的要求，電池能夠適應(yīng)快速充電的要求，電池快速充電

14、達(dá)到額定容量電池快速充電達(dá)到額定容量50%時(shí)的時(shí)間為時(shí)的時(shí)間為20min左右。左右。 （3）連續(xù)放電率高、自放電率低）連續(xù)放電率高、自放電率低 電池能夠適應(yīng)快速放電的要求，連續(xù)電池能夠適應(yīng)快速放電的要求，連續(xù)1h放電率可以達(dá)到額放電率可以達(dá)到額定容量的定容量的70%左右。自放電率要低，電池能夠長(zhǎng)期存放。左右。自放電率要低，電池能夠長(zhǎng)期存放。 （4）不需要復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境）不需要復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境 （5）安全可靠）安全可靠 純電動(dòng)汽車純電動(dòng)汽車行駛安全完全依賴電池的能量，行駛安全完全依賴電池的能量，由于要求小型化和長(zhǎng)的續(xù)駛里程，所以相對(duì)于由于要求小型化和長(zhǎng)的續(xù)駛里程，所以相對(duì)于比功率來(lái)說(shuō)，人們比功率來(lái)

15、說(shuō)，人們更多關(guān)注的是比能量更多關(guān)注的是比能量。 而與之相對(duì)的，在而與之相對(duì)的，在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中，要中，要求的是質(zhì)量求的是質(zhì)量比功率比功率，即要實(shí)現(xiàn)，即要實(shí)現(xiàn)“小電池提供大小電池提供大電電 流流”，這里主要是對(duì)加減速時(shí)的瞬時(shí)大功率的要，這里主要是對(duì)加減速時(shí)的瞬時(shí)大功率的要求多一些。求多一些。 二、蓄電池技術(shù)二、蓄電池技術(shù) 電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的蓄電池主要有電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎳基蓄電池和鋰基蓄電池等。鉛酸蓄電池、鎳基蓄電池和鋰基蓄電池等。 在近期，主要的應(yīng)用型式是鉛酸蓄電池。在近期，主要的應(yīng)用型式是鉛酸蓄電池。 在中長(zhǎng)期內(nèi)，鎳基和鋰基蓄電

16、池將是應(yīng)用于電在中長(zhǎng)期內(nèi)，鎳基和鋰基蓄電池將是應(yīng)用于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的主要備選型式。動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的主要備選型式。1.鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池原理與構(gòu)造：原理與構(gòu)造： 鉛酸蓄電池的特點(diǎn)鉛酸蓄電池的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 具有低成本、成熟的技術(shù)、相的高功率容量和具有低成本、成熟的技術(shù)、相的高功率容量和良好的循環(huán)性等。良好的循環(huán)性等。在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中高功率在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中高功率是首要考慮的技術(shù)條件。是首要考慮的技術(shù)條件。 兩大缺點(diǎn)：兩大缺點(diǎn)： 一是一是比能量和能量密度都比較低比能量和能量密度都比較低（通常為（通常為35 Wh/kg和和70Wh/L)，自放電率較高（每天降低，自放

17、電率較高（每天降低1%，環(huán)境溫度，環(huán)境溫度25），因此所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里），因此所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個(gè)是使用壽命短，使用成本過(guò)高，循環(huán)壽命程較短；另一個(gè)是使用壽命短，使用成本過(guò)高，循環(huán)壽命相對(duì)較低（約為相對(duì)較低（約為500次），且硫酸腐蝕電極不便于長(zhǎng)期儲(chǔ)次），且硫酸腐蝕電極不便于長(zhǎng)期儲(chǔ)存。存。 2.鎳基蓄電池鎳基蓄電池 目前鎳基蓄電池有兩種主要的應(yīng)用技術(shù)：目前鎳基蓄電池有兩種主要的應(yīng)用技術(shù)：鎳鎳-鎘蓄電池（鎘蓄電池（Ni-Cd）鎳鎳-氫蓄電池（氫蓄電池（Ni-MH） 其中鎳其中鎳-鎘蓄電池由于技術(shù)可靠、性能良好在鎘蓄電池由于技術(shù)可靠、性能良好在

18、電動(dòng)汽車上得到了應(yīng)用。電動(dòng)汽車上得到了應(yīng)用。 鎳鎳-氫蓄電池發(fā)展迅速，有望在近期電動(dòng)汽車氫蓄電池發(fā)展迅速，有望在近期電動(dòng)汽車市場(chǎng)上取代鎳市場(chǎng)上取代鎳-鎘蓄電池。鎘蓄電池。 電池放電時(shí)，負(fù)電池放電時(shí)，負(fù)極的金屬氫化物被氧極的金屬氫化物被氧化生成金屬合金，正化生成金屬合金，正極的極的NiOOH被還原被還原生成氫氧化鎳，充電生成氫氧化鎳，充電過(guò)程正好相反。過(guò)程正好相反。 美國(guó)美國(guó)OVONIC公司生公司生產(chǎn)的產(chǎn)的Ni-MH電池的電池的 構(gòu)造構(gòu)造 美國(guó)美國(guó)OVONIC公司生公司生產(chǎn)的產(chǎn)的Ni-MH電池的電池的 構(gòu)造構(gòu)造3鋰離子蓄電池鋰離子蓄電池 鋰在所有金屬中是最輕的，它可具有很高的熱鋰在所有金屬中是最

19、輕的，它可具有很高的熱力學(xué)電壓，由此導(dǎo)致非常力學(xué)電壓，由此導(dǎo)致非常高的比能量和比功率高的比能量和比功率。 鋰基蓄電池按應(yīng)用技術(shù)不同主要有兩種：鋰基蓄電池按應(yīng)用技術(shù)不同主要有兩種： 鋰聚合物蓄電池鋰聚合物蓄電池 鋰離子蓄電池鋰離子蓄電池 放電時(shí)，負(fù)極上將釋放電時(shí)，負(fù)極上將釋放鋰離子，經(jīng)電解液放鋰離子，經(jīng)電解液遷移，且被正極接納；遷移，且被正極接納； 充電時(shí)，過(guò)程逆向進(jìn)充電時(shí)，過(guò)程逆向進(jìn)行。行。 鋰聚合物蓄電池（鋰聚合物蓄電池（Li-P）工作的額定電壓為）工作的額定電壓為3V、 比能量為比能量為l55Wh/kg和比功率為和比功率為315W/kg， 優(yōu)越性在于很低的自放電率優(yōu)越性在于很低的自放電率（

20、每月約（每月約0. 5%）、）、多種形狀和尺寸的制造能力，以及安全性的設(shè)計(jì)多種形狀和尺寸的制造能力，以及安全性的設(shè)計(jì)（以固態(tài)電解質(zhì)降低了鋰的活性）。（以固態(tài)電解質(zhì)降低了鋰的活性）。 然而，由于溫度與離子的電導(dǎo)率相關(guān)，故其具然而，由于溫度與離子的電導(dǎo)率相關(guān)，故其具有相對(duì)有相對(duì)弱的低溫性能弱的低溫性能方面的缺陷。方面的缺陷。 Li-Ion電池的比能量約為鉛酸蓄電池的電池的比能量約為鉛酸蓄電池的34倍，倍，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)小型化，并且，其單體電池的電壓同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)小型化，并且，其單體電池的電壓比其他類型的蓄電池高比其他類型的蓄電池高23倍，因而串聯(lián)起來(lái)的倍，因而串聯(lián)起來(lái)的電池?cái)?shù)就少。電池?cái)?shù)就少。Li-I

21、on電池在充電時(shí)，發(fā)生的是吸電池在充電時(shí)，發(fā)生的是吸熱反應(yīng)，具有溫升少的特性，同時(shí)其內(nèi)部阻抗也熱反應(yīng)，具有溫升少的特性，同時(shí)其內(nèi)部阻抗也很小，在很小，在2C(C：額定電流：額定電流)情況下充電，可以得情況下充電，可以得到到90%以上的充以上的充(放電放電)能量效率。能量效率。 Li-Ion電池由于比能量很高，所以容易出現(xiàn)著電池由于比能量很高，所以容易出現(xiàn)著火等的危險(xiǎn)，此外還存在各單體電池的均衡電壓火等的危險(xiǎn)，此外還存在各單體電池的均衡電壓控制（根據(jù)并聯(lián)均電流法）和鋰資源的匱乏等許控制（根據(jù)并聯(lián)均電流法）和鋰資源的匱乏等許多尚未解決的問(wèn)題。多尚未解決的問(wèn)題。4金屬空氣電池金屬空氣電池 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)

22、： 高比能量和能量密度（高比能量和能量密度（Al空氣電池高達(dá)空氣電池高達(dá)600 Wh/kg和和400 Wh/L），低價(jià)格（采用了常用金），低價(jià)格（采用了常用金屬材料和空氣）、良好的環(huán)保設(shè)計(jì)、平坦的放電屬材料和空氣）、良好的環(huán)保設(shè)計(jì)、平坦的放電曲線以及與負(fù)載和工作溫度無(wú)關(guān)的容量特性。采曲線以及與負(fù)載和工作溫度無(wú)關(guān)的容量特性。采用機(jī)械充電方式的電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車的顯著優(yōu)用機(jī)械充電方式的電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車的顯著優(yōu)點(diǎn)為：采用加料方式實(shí)現(xiàn)了快速充電（與燃油車點(diǎn)為：采用加料方式實(shí)現(xiàn)了快速充電（與燃油車的加油方式相似）以及集中充電的加油方式相似）以及集中充電/回收方式實(shí)現(xiàn)了回收方式實(shí)現(xiàn)了高效環(huán)保地利用電能。

23、高效環(huán)保地利用電能。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 比功率低、工作溫度范圍有限、空氣中的二氧比功率低、工作溫度范圍有限、空氣中的二氧化碳溶于水生成碳酸中和堿性電解液并釋放氫氣化碳溶于水生成碳酸中和堿性電解液并釋放氫氣等。等。 5其他種類的蓄電池其他種類的蓄電池 除了上面介紹的四種蓄電池之外，電動(dòng)汽車中用除了上面介紹的四種蓄電池之外，電動(dòng)汽車中用于試驗(yàn)的蓄電池還包含：于試驗(yàn)的蓄電池還包含： （1）鈉）鈉-硫蓄電池硫蓄電池 （2）鈉）鈉-氯化鎳電池氯化鎳電池 （3）鎳）鎳-鋅蓄電池鋅蓄電池三、其他儲(chǔ)能裝置三、其他儲(chǔ)能裝置 1.飛輪儲(chǔ)能飛輪儲(chǔ)能 2.超級(jí)電容器儲(chǔ)能超級(jí)電容器儲(chǔ)能 1.飛輪儲(chǔ)能飛輪儲(chǔ)能 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：

24、飛輪儲(chǔ)能具有飛輪儲(chǔ)能具有高轉(zhuǎn)換效率和高比功率高轉(zhuǎn)換效率和高比功率。 應(yīng)用：應(yīng)用： 特別適用于混合動(dòng)力汽車。特別適用于混合動(dòng)力汽車。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 但是其比能量較低，因此需要通過(guò)合理設(shè)計(jì)使但是其比能量較低，因此需要通過(guò)合理設(shè)計(jì)使飛輪裝置可以滿足功率和能量要求。飛輪裝置可以滿足功率和能量要求。（1）飛輪儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)）飛輪儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu) 飛輪本體由碳纖維復(fù)合材料飛輪本體由碳纖維復(fù)合材料制造，在其內(nèi)側(cè)附有永久磁制造，在其內(nèi)側(cè)附有永久磁鐵鐵7，飛輪，飛輪4中的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)8為外轉(zhuǎn)子式的結(jié)構(gòu)，為外轉(zhuǎn)子式的結(jié)構(gòu)，由于要求能達(dá)到超過(guò)由于要求能達(dá)到超過(guò)30000r/min的高轉(zhuǎn)速，所以的

25、高轉(zhuǎn)速，所以選用了無(wú)傳感器的控制方式。選用了無(wú)傳感器的控制方式。 （2）飛輪儲(chǔ)能裝置原理）飛輪儲(chǔ)能裝置原理 飛輪儲(chǔ)能分三個(gè)階段：飛輪儲(chǔ)能分三個(gè)階段： 飛輪充電階段飛輪充電階段，外部電源通過(guò)輸入電路給電機(jī)供，外部電源通過(guò)輸入電路給電機(jī)供電，此時(shí)，電機(jī)就作為電動(dòng)機(jī)使用，它的作用是電，此時(shí)，電機(jī)就作為電動(dòng)機(jī)使用，它的作用是使飛輪加速，儲(chǔ)存能量；使飛輪加速，儲(chǔ)存能量； 能量保持階段能量保持階段，飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)裝置就以最，飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)，整個(gè)裝置就以最小損耗運(yùn)行；小損耗運(yùn)行； 飛輪放電階段飛輪放電階段，當(dāng)負(fù)載需要電能時(shí)，飛輪給電機(jī)，當(dāng)負(fù)載需要電能時(shí)，飛輪給電機(jī)施加轉(zhuǎn)矩，此時(shí)，電機(jī)又作為發(fā)電機(jī)使用，通過(guò)

26、施加轉(zhuǎn)矩，此時(shí)，電機(jī)又作為發(fā)電機(jī)使用，通過(guò)輸出電路給外部設(shè)備供電。輸出電路給外部設(shè)備供電。 大直徑小軸向尺寸的低速飛輪和小直徑大軸向大直徑小軸向尺寸的低速飛輪和小直徑大軸向尺寸的高速飛輪可以儲(chǔ)存相等的能量。飛輪轉(zhuǎn)速尺寸的高速飛輪可以儲(chǔ)存相等的能量。飛輪轉(zhuǎn)速越高，儲(chǔ)存能量越大，但受飛輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子使用越高，儲(chǔ)存能量越大，但受飛輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子使用的材料強(qiáng)度的限制，轉(zhuǎn)速不能無(wú)限提高。的材料強(qiáng)度的限制，轉(zhuǎn)速不能無(wú)限提高。 （3）與蓄電池的比較）與蓄電池的比較 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 儲(chǔ)能效率高（轉(zhuǎn)換效率高），與動(dòng)力電池相比有很大的儲(chǔ)能效率高（轉(zhuǎn)換效率高），與動(dòng)力電池相比有很大的比功率潛力，同時(shí)，飛輪儲(chǔ)能裝置的壽命與

27、放電電流大小比功率潛力，同時(shí)，飛輪儲(chǔ)能裝置的壽命與放電電流大小無(wú)關(guān)，而且受外界溫度影響小。無(wú)關(guān)，而且受外界溫度影響小。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)不太成熟，成本高不太成熟，成本高，因此影響了在市場(chǎng)上，因此影響了在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。此外，目前飛輪儲(chǔ)能裝置的的競(jìng)爭(zhēng)力。此外，目前飛輪儲(chǔ)能裝置的比能量較低比能量較低，且由，且由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，在斷裂時(shí)釋放能量的方式不可控，存在于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，在斷裂時(shí)釋放能量的方式不可控，存在安全問(wèn)題安全問(wèn)題。 （4）在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用舉例）在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用舉例 與其他的長(zhǎng)時(shí)間的能量?jī)?chǔ)能裝置相比，飛輪更與其他的長(zhǎng)時(shí)間的能量?jī)?chǔ)能裝置相比，飛輪更擅長(zhǎng)利用短時(shí)間的

28、大電能，因此更適合混合動(dòng)力擅長(zhǎng)利用短時(shí)間的大電能，因此更適合混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的使用。目前，在德國(guó)、瑞士、美國(guó)均電動(dòng)汽車的使用。目前，在德國(guó)、瑞士、美國(guó)均已經(jīng)有了實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的飛輪混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（大已經(jīng)有了實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的飛輪混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（大客車）。客車）。 2. 超級(jí)電容器儲(chǔ)能超級(jí)電容器儲(chǔ)能 超級(jí)電容器（超級(jí)電容器（super capacitor或或ultra capacitor）又被稱作雙電層電容器。）又被稱作雙電層電容器。 它是一種電荷的儲(chǔ)存器，當(dāng)電源的電壓連接在它是一種電荷的儲(chǔ)存器，當(dāng)電源的電壓連接在電容器兩端時(shí)，電源的電荷就儲(chǔ)存在電容器中。電容器兩端時(shí)，電源的電荷就儲(chǔ)存在電容器中。 （1）

29、超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)）超級(jí)電容器結(jié)構(gòu) 超級(jí)電容器的一對(duì)集電極超級(jí)電容器的一對(duì)集電極上裝有固體活性材料，在上裝有固體活性材料，在兩個(gè)集電極之間，裝有電兩個(gè)集電極之間，裝有電解液和絕緣層。電荷沿集解液和絕緣層。電荷沿集電極和電解液成對(duì)排列，電極和電解液成對(duì)排列，形成一個(gè)雙層電容器，擴(kuò)形成一個(gè)雙層電容器，擴(kuò)大了電容器的容量。采用大了電容器的容量。采用碳納米管結(jié)晶材料制造的碳納米管結(jié)晶材料制造的電容器導(dǎo)電性好，比表面電容器導(dǎo)電性好，比表面面積大，比表面利用率可面積大，比表面利用率可達(dá)到達(dá)到100%。 （2）超級(jí)電容器原理）超級(jí)電容器原理 采用雙層電容技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容概念的主要采用雙層電容技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容

30、概念的主要措施。當(dāng)在電極上極化電極加上電壓時(shí)，由于電措施。當(dāng)在電極上極化電極加上電壓時(shí)，由于電解質(zhì)分子的解質(zhì)分子的趨耦和排列作用趨耦和排列作用，在兩電極的表面形，在兩電極的表面形成了一個(gè)雙層電容。電容器的這種極化作用可以成了一個(gè)雙層電容。電容器的這種極化作用可以儲(chǔ)存電能。儲(chǔ)存電能。 （3）與蓄電池的比較）與蓄電池的比較 一般來(lái)說(shuō)，超級(jí)電容極好的功率性能與蓄電池一般來(lái)說(shuō)，超級(jí)電容極好的功率性能與蓄電池良好的儲(chǔ)能性能組合在一起可能是最好的方案。良好的儲(chǔ)能性能組合在一起可能是最好的方案。 超級(jí)電容在其額定電壓范超級(jí)電容在其額定電壓范圍內(nèi)可以圍內(nèi)可以充電至任一電壓充電至任一電壓值，值，而放電時(shí)可以而放

31、電時(shí)可以放出放出所所有儲(chǔ)存的有儲(chǔ)存的全部電量全部電量， 超級(jí)電容可以超級(jí)電容可以頻繁地釋放頻繁地釋放能量脈沖而不會(huì)產(chǎn)生有害能量脈沖而不會(huì)產(chǎn)生有害的后果，的后果， 超級(jí)電容可以超級(jí)電容可以極快地充電極快地充電， 超級(jí)電容可以有超級(jí)電容可以有幾十萬(wàn)次幾十萬(wàn)次的充放電循環(huán)壽命的充放電循環(huán)壽命， 但動(dòng)力電池只能在但動(dòng)力電池只能在很窄很窄的的電壓范圍內(nèi)工作，而且過(guò)電壓范圍內(nèi)工作，而且過(guò)放電會(huì)造成動(dòng)力電池的放電會(huì)造成動(dòng)力電池的永永久性損壞；久性損壞； 但動(dòng)力電池如果頻繁地釋但動(dòng)力電池如果頻繁地釋放能量脈沖就會(huì)放能量脈沖就會(huì)降低壽命；降低壽命； 而動(dòng)力電池如果快速充電而動(dòng)力電池如果快速充電則則會(huì)損壞會(huì)損壞；

32、 而動(dòng)力電池只有而動(dòng)力電池只有幾百次或幾百次或幾千次循環(huán)壽命幾千次循環(huán)壽命。 （4）在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用舉例）在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用舉例 在近期內(nèi)，超級(jí)電容極低的比能量使得它不可在近期內(nèi)，超級(jí)電容極低的比能量使得它不可能單獨(dú)用作電動(dòng)汽車能量源，能單獨(dú)用作電動(dòng)汽車能量源， 但使用超級(jí)電容作輔助能量源具有顯著優(yōu)點(diǎn)。但使用超級(jí)電容作輔助能量源具有顯著優(yōu)點(diǎn)。 在電動(dòng)汽車上使用的最佳組合為電池與超級(jí)電容在電動(dòng)汽車上使用的最佳組合為電池與超級(jí)電容混合能量系統(tǒng)，從而使得電動(dòng)汽車對(duì)電池的混合能量系統(tǒng)，從而使得電動(dòng)汽車對(duì)電池的比能比能量和比功率要求分離開(kāi)來(lái)量和比功率要求分離開(kāi)來(lái)。電池設(shè)計(jì)可以集中于電池設(shè)計(jì)可以集中于對(duì)

33、比能量和循環(huán)壽命要求的考慮對(duì)比能量和循環(huán)壽命要求的考慮，而不必過(guò)多地，而不必過(guò)多地考慮比功率問(wèn)題?？紤]比功率問(wèn)題。第二節(jié)第二節(jié) 燃料電池燃料電池 燃料電池（燃料電池（Fuel cell）是一種氫在氧化時(shí)化學(xué)）是一種氫在氧化時(shí)化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的能直接轉(zhuǎn)換為電能的“電能裝置電能裝置”。 轉(zhuǎn)化效率高，噪聲極低，且可靠性較高；排放轉(zhuǎn)化效率高，噪聲極低，且可靠性較高；排放污染物極少污染物極少 。 燃料電池電動(dòng)汽車可達(dá)到與燃油車一樣的續(xù)駛?cè)剂想姵仉妱?dòng)汽車可達(dá)到與燃油車一樣的續(xù)駛里程。里程。 1.燃料電池的分類燃料電池的分類 （1）按照工作溫度分類）按照工作溫度分類 低溫燃料電池低溫燃料電池：工作溫度從

34、常溫至：工作溫度從常溫至lOO，這類，這類電池包括固體聚合物電解質(zhì)燃料電池等；電池包括固體聚合物電解質(zhì)燃料電池等； 中溫燃料電池中溫燃料電池：工作溫度介于：工作溫度介于lOO300的，如的，如磷酸型燃料電池；磷酸型燃料電池； 高溫燃料電池高溫燃料電池：工作溫度在：工作溫度在500以上的，這種以上的，這種類型的電池包括類型的電池包括熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池和和固體氧化固體氧化物燃料電池。物燃料電池。 （2）按照燃料的來(lái)源分類）按照燃料的來(lái)源分類 直接式燃料電池直接式燃料電池，即其燃料直接使用氫氣，應(yīng)，即其燃料直接使用氫氣，應(yīng)用較廣泛；用較廣泛； 間接式燃料電池間接式燃料電池，其燃料不

35、是直接使用氫氣，其燃料不是直接使用氫氣，而是通過(guò)某種方法把甲烷、甲醇或其他烴類化合而是通過(guò)某種方法把甲烷、甲醇或其他烴類化合物轉(zhuǎn)變成氫或富含氫的混合氣后再供給燃料電池，物轉(zhuǎn)變成氫或富含氫的混合氣后再供給燃料電池，應(yīng)用較廣泛；應(yīng)用較廣泛； 再生燃料電池再生燃料電池，指把燃料電池生成的水經(jīng)適當(dāng)，指把燃料電池生成的水經(jīng)適當(dāng)方法分解成氫和氧，再重新輸送給燃料電池進(jìn)行方法分解成氫和氧，再重新輸送給燃料電池進(jìn)行發(fā)電，較少見(jiàn)到。發(fā)電，較少見(jiàn)到。 （3）按照燃料電池的電解質(zhì)類型分類）按照燃料電池的電解質(zhì)類型分類 堿性燃料電池堿性燃料電池(alkaline fuel cell， AFC) 磷酸燃料電池磷酸燃料電

36、池(phosphoric acid fuel cell， PAFC) 質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell， PEMFC)、被認(rèn)為是車用燃料電池的最佳選擇。、被認(rèn)為是車用燃料電池的最佳選擇。 熔融碳酸鹽燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cell， MCFC) 固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell， SOFC) 2.燃料電池的工作原理燃料電池的工作原理 燃料電池的反應(yīng)機(jī)燃料電池的反應(yīng)機(jī)理是：理是： 將燃料中的化學(xué)能將燃料中的化學(xué)能不經(jīng)不經(jīng)燃燒燃燒

37、而直接轉(zhuǎn)化為電能。而直接轉(zhuǎn)化為電能。氫氧燃料電池實(shí)際上就氫氧燃料電池實(shí)際上就是一個(gè)電解水的逆過(guò)程，是一個(gè)電解水的逆過(guò)程，通過(guò)氫氧的化學(xué)反應(yīng)生通過(guò)氫氧的化學(xué)反應(yīng)生成水并釋放電能。氫氣成水并釋放電能。氫氣和氧氣分別是燃料電池和氧氣分別是燃料電池在電化反應(yīng)過(guò)程中的燃在電化反應(yīng)過(guò)程中的燃料和氧化劑，反應(yīng)產(chǎn)生料和氧化劑，反應(yīng)產(chǎn)生的電子在外電路的連接的電子在外電路的連接下形成電流，通過(guò)適當(dāng)下形成電流，通過(guò)適當(dāng)連接可以向負(fù)載輸出電連接可以向負(fù)載輸出電能。能。 燃料電池參與反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，如氫和氧，是燃料電池參與反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，如氫和氧，是由燃料電池外部的單獨(dú)供氣系統(tǒng)供給的，只要保由燃料電池外部的單獨(dú)供氣系統(tǒng)

38、供給的，只要保證物質(zhì)供應(yīng)的連續(xù)性，就可以保證能量輸出的連證物質(zhì)供應(yīng)的連續(xù)性，就可以保證能量輸出的連續(xù)性。續(xù)性。 燃料電池是一種燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置能量轉(zhuǎn)換裝置，在工作時(shí)必須，在工作時(shí)必須有能量（燃料）輸入，才能產(chǎn)出電能。普通蓄電有能量（燃料）輸入，才能產(chǎn)出電能。普通蓄電池是一種池是一種能量?jī)?chǔ)存裝置能量?jī)?chǔ)存裝置，必須先將電能儲(chǔ)存到電，必須先將電能儲(chǔ)存到電池中，在工作時(shí)只能輸出電能池中，在工作時(shí)只能輸出電能 。 3. 燃料電池的車載供氫系統(tǒng)燃料電池的車載供氫系統(tǒng) 燃料電池電動(dòng)汽車使用的燃料有氫氣、醇類和燃料電池電動(dòng)汽車使用的燃料有氫氣、醇類和汽油等碳?xì)浠衔?。其中，氫氣可以作為燃料直汽油等?/p>

39、氫化合物。其中，氫氣可以作為燃料直接使用，醇類、汽油等碳?xì)浠衔飫t必須通過(guò)車接使用，醇類、汽油等碳?xì)浠衔飫t必須通過(guò)車載重整制氫才能使用。因此，燃料電池汽的供氫載重整制氫才能使用。因此，燃料電池汽的供氫系統(tǒng)可分為：系統(tǒng)可分為： 車載儲(chǔ)氫車載儲(chǔ)氫 車載制氫車載制氫 （1）車載儲(chǔ)氫）車載儲(chǔ)氫車載純氫儲(chǔ)存方法主要分為：車載純氫儲(chǔ)存方法主要分為： 高壓氫氣儲(chǔ)存、高壓氫氣儲(chǔ)存、 液態(tài)氫儲(chǔ)存、液態(tài)氫儲(chǔ)存、 金屬儲(chǔ)氫、金屬儲(chǔ)氫、 活性炭吸附儲(chǔ)氫活性炭吸附儲(chǔ)氫 碳納米材料儲(chǔ)氫碳納米材料儲(chǔ)氫 高壓氫氣儲(chǔ)存高壓氫氣儲(chǔ)存 定義定義： 用氫氣壓縮機(jī)把氫氣壓縮灌入到車上攜帶的壓用氫氣壓縮機(jī)把氫氣壓縮灌入到車上攜帶的壓力

40、容器中。力容器中。 應(yīng)用：應(yīng)用： 是目前最簡(jiǎn)單和最常用的車載純氫儲(chǔ)存方法。是目前最簡(jiǎn)單和最常用的車載純氫儲(chǔ)存方法。對(duì)于燃料電池大客車主要采用這種方法。對(duì)于燃料電池大客車主要采用這種方法。 組成：組成： 儲(chǔ)氣瓶組、壓力表、濾清器、減壓器、單向閥、儲(chǔ)氣瓶組、壓力表、濾清器、減壓器、單向閥、電磁閥、手動(dòng)截止閥及管路等。電磁閥、手動(dòng)截止閥及管路等。 國(guó)外國(guó)外 ： 合金鋁容器，外用碳纖維加強(qiáng)，內(nèi)膽為抗氫脆合金鋁容器，外用碳纖維加強(qiáng)，內(nèi)膽為抗氫脆的聚合物材料。儲(chǔ)氫鋼瓶典型的工作壓力范圍為的聚合物材料。儲(chǔ)氫鋼瓶典型的工作壓力范圍為15MPa40MPa，常用工作壓力為，常用工作壓力為20MPa。 我國(guó)我國(guó) ：

41、 鋼瓶?jī)?chǔ)氫，以合金鋼制成的壓力容器，儲(chǔ)氫壓鋼瓶?jī)?chǔ)氫，以合金鋼制成的壓力容器，儲(chǔ)氫壓力為力為l5MPa時(shí)，不太適用于車載儲(chǔ)氫。最近國(guó)內(nèi)時(shí)，不太適用于車載儲(chǔ)氫。最近國(guó)內(nèi)一些單位也在研制工作壓力為一些單位也在研制工作壓力為20MPa的復(fù)合材料的復(fù)合材料氣瓶。氣瓶。 安全方面：安全方面： 高壓容器本身就需要特殊的照顧與維護(hù)，況且高壓容器本身就需要特殊的照顧與維護(hù)，況且容器中裝的易燃、易爆、易滲漏的氫氣，車禍時(shí)容器中裝的易燃、易爆、易滲漏的氫氣，車禍時(shí)可能有嚴(yán)重的后果?？赡苡袊?yán)重的后果。 實(shí)施方面：實(shí)施方面： 容器壓力愈高，充氫站的建設(shè)，壓縮運(yùn)行所花容器壓力愈高，充氫站的建設(shè)，壓縮運(yùn)行所花的代價(jià)愈高。的

42、代價(jià)愈高。 液態(tài)儲(chǔ)氫液態(tài)儲(chǔ)氫 車載液氫儲(chǔ)藏系統(tǒng)組成：車載液氫儲(chǔ)藏系統(tǒng)組成： 客車頂部（轎車及輕型車在地板下或側(cè)后方）客車頂部（轎車及輕型車在地板下或側(cè)后方）的液氫儲(chǔ)藏罐、壓力控制裝置及管路等。的液氫儲(chǔ)藏罐、壓力控制裝置及管路等。 外殼由超絕熱材料包外殼由超絕熱材料包裹，設(shè)有裹，設(shè)有(液氫液氫)進(jìn)出口進(jìn)出口1、安全排氣管、安全排氣管3。 內(nèi)部裝有液位計(jì)內(nèi)部裝有液位計(jì)5和和壓力（控制）裝置。壓力（控制）裝置。 還應(yīng)包括熱交換和壓還應(yīng)包括熱交換和壓力調(diào)節(jié)系。力調(diào)節(jié)系。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 用液氫儲(chǔ)存燃料系統(tǒng)的體積與質(zhì)量最小。用液氫儲(chǔ)存燃料系統(tǒng)的體積與質(zhì)量最小。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 由于低溫容器的熱漏損及液氫的生

43、產(chǎn)、儲(chǔ)存、由于低溫容器的熱漏損及液氫的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、向車上加注和氫必須消耗大量的能量等問(wèn)運(yùn)輸、向車上加注和氫必須消耗大量的能量等問(wèn)題，使得目前題，使得目前實(shí)施規(guī)模化的車載液態(tài)儲(chǔ)氫是非常實(shí)施規(guī)?；能囕d液態(tài)儲(chǔ)氫是非常困難的。困難的。 金屬儲(chǔ)氫金屬儲(chǔ)氫 金屬與氫形成氫化物的儲(chǔ)氫方法。金屬與氫形成氫化物的儲(chǔ)氫方法。將金屬氫化將金屬氫化物加熱，則金屬氫化物分解脫氫而得物加熱，則金屬氫化物分解脫氫而得H2。有些金。有些金屬氫化物儲(chǔ)氫密度可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的屬氫化物儲(chǔ)氫密度可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的1000倍，倍，與液氫相同甚至超過(guò)液氫。此外，金屬氫化物還與液氫相同甚至超過(guò)液氫。此外，金屬氫化物還具有氫氣純

44、化、壓縮等功能。具有氫氣純化、壓縮等功能。 目前，金屬儲(chǔ)氫主要存在充放氫速度慢、易于目前，金屬儲(chǔ)氫主要存在充放氫速度慢、易于粉化、傳熱效果不佳、價(jià)格昂貴等問(wèn)題。粉化、傳熱效果不佳、價(jià)格昂貴等問(wèn)題。 活性炭吸附儲(chǔ)氫活性炭吸附儲(chǔ)氫 活性炭低溫吸附具有相當(dāng)好的儲(chǔ)氫能力，在活性炭低溫吸附具有相當(dāng)好的儲(chǔ)氫能力，在-196 ，4.2MPa時(shí)，活性炭的儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)約時(shí)，活性炭的儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)約5%。但是考慮到。但是考慮到-196的低溫及的低溫及4.2MPa的壓力，的壓力，兼有高壓容器法和液氫法的弱點(diǎn)，兼有高壓容器法和液氫法的弱點(diǎn)，在燃料電池汽在燃料電池汽車上應(yīng)用也不是可行的方法。車上應(yīng)用也不是可行的方法。 碳

45、納米材料儲(chǔ)氫碳納米材料儲(chǔ)氫 納米碳管目前還未解決其規(guī)模制備的方法，因納米碳管目前還未解決其規(guī)模制備的方法，因此價(jià)格昂貴。即使納米碳管有較高的儲(chǔ)氫容量，此價(jià)格昂貴。即使納米碳管有較高的儲(chǔ)氫容量，但納米碳放氫難，放氫的容量低，放氫速率低，但納米碳放氫難，放氫的容量低，放氫速率低，實(shí)際應(yīng)用困難。其技術(shù)的發(fā)展還難以預(yù)測(cè)，至少實(shí)際應(yīng)用困難。其技術(shù)的發(fā)展還難以預(yù)測(cè)，至少在較短的時(shí)間內(nèi)，在燃料電池汽車上應(yīng)用是不現(xiàn)在較短的時(shí)間內(nèi)，在燃料電池汽車上應(yīng)用是不現(xiàn)實(shí)的。實(shí)的。 （2）車載制氫）車載制氫 可用于車載制氫的燃料可以是醇類（甲醇、乙可用于車載制氫的燃料可以是醇類（甲醇、乙醇、二甲醚等）、烴類（汽油、柴油、甲

46、烷，液醇、二甲醚等）、烴類（汽油、柴油、甲烷，液化石油氣等），還有其他類型的物質(zhì)也可以作為化石油氣等），還有其他類型的物質(zhì)也可以作為制氫原料，如金屬或金屬氫化物等。制氫原料，如金屬或金屬氫化物等。 甲醇車載重整制氫燃料電池汽車的技術(shù)較為可甲醇車載重整制氫燃料電池汽車的技術(shù)較為可行。行。 車載甲醇重整制氫一般包括了車載甲醇重整制氫一般包括了重整、變換、一重整、變換、一氧化碳脫除及燃燒氧化碳脫除及燃燒等幾個(gè)過(guò)程。等幾個(gè)過(guò)程。 （3）燃料電池汽車對(duì)燃料電池的要求）燃料電池汽車對(duì)燃料電池的要求 由單元電池組成的燃料電池組的比能量不低于由單元電池組成的燃料電池組的比能量不低于150200Wh/kg，比功

47、率不低，比功率不低300 W/kg。達(dá)到或超過(guò)。達(dá)到或超過(guò)USABC提出的電池性能指標(biāo)水平。提出的電池性能指標(biāo)水平。 各種輔助裝備的外形尺寸和質(zhì)量應(yīng)盡可能地減少，符各種輔助裝備的外形尺寸和質(zhì)量應(yīng)盡可能地減少，符合燃料電池汽車的要求。合燃料電池汽車的要求。 燃料充添方便迅速，燃料電池能夠打開(kāi)進(jìn)行電極、電燃料充添方便迅速，燃料電池能夠打開(kāi)進(jìn)行電極、電解質(zhì)和催化劑的修理和更換。解質(zhì)和催化劑的修理和更換。 可以在常溫條件下工作，不會(huì)發(fā)生燃料氣體和電解液可以在常溫條件下工作，不會(huì)發(fā)生燃料氣體和電解液的泄漏或結(jié)冰，有可靠的安全性能。的泄漏或結(jié)冰，有可靠的安全性能。 可以在負(fù)荷變化情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，各種結(jié)構(gòu)件

48、有足夠可以在負(fù)荷變化情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，各種結(jié)構(gòu)件有足夠的強(qiáng)度和可靠性，能夠耐受燃料電池汽車行駛時(shí)的振動(dòng)和的強(qiáng)度和可靠性，能夠耐受燃料電池汽車行駛時(shí)的振動(dòng)和沖擊沖擊。二、質(zhì)子交換膜燃料電池二、質(zhì)子交換膜燃料電池 質(zhì)子交換膜燃料電池（質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC）是指以質(zhì)子交）是指以質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)的電池，又稱固體高分子電解質(zhì)換膜作為電解質(zhì)的電池，又稱固體高分子電解質(zhì)燃料電池（燃料電池（Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells）。）。 1.PEMFC的工作原理的工作原理 外部供給的燃料

49、外部供給的燃料(氫氣氫氣)在在陽(yáng)極陽(yáng)極(燃料極燃料極)由于催化劑的作用發(fā)由于催化劑的作用發(fā)生氧化反應(yīng)變成了質(zhì)子生氧化反應(yīng)變成了質(zhì)子(H+)和和電子。電子。 質(zhì)子和數(shù)個(gè)水分子一起穿過(guò)質(zhì)子和數(shù)個(gè)水分子一起穿過(guò)電解質(zhì)（質(zhì)子交換膜），到電解質(zhì)（質(zhì)子交換膜），到達(dá)達(dá)陰極陰極(空氣極空氣極)。 另一方面，電子穿過(guò)有電子另一方面，電子穿過(guò)有電子導(dǎo)電性的電極，經(jīng)過(guò)外部的導(dǎo)電性的電極，經(jīng)過(guò)外部的負(fù)載電路負(fù)載電路(電動(dòng)機(jī)等電動(dòng)機(jī)等)向陰極向陰極(空氣極空氣極)的方向的方向移動(dòng)移動(dòng)。 從外部電路轉(zhuǎn)移而來(lái)的電子從外部電路轉(zhuǎn)移而來(lái)的電子和從電解質(zhì)中轉(zhuǎn)移而來(lái)的質(zhì)和從電解質(zhì)中轉(zhuǎn)移而來(lái)的質(zhì)子，利用外部空氣中提供的子，利用外部

50、空氣中提供的氧氣，在氧氣，在陰極發(fā)生還原反應(yīng)陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成水。生成水。 內(nèi)燃機(jī)是受卡諾循環(huán)內(nèi)燃機(jī)是受卡諾循環(huán)支配的，所以一般情支配的，所以一般情況下，工作溫度越高，況下，工作溫度越高，效率就越高。效率就越高。 燃料電池中，由于直燃料電池中，由于直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，所以效率是很高能，所以效率是很高的，而且，它的效率的，而且，它的效率變化受到負(fù)載變化的變化受到負(fù)載變化的影響也很小。影響也很小。 2.PEMFC的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 組成：組成： 膜電極組件：膜電極組件： 電極（陰極、陽(yáng)極）電極（陰極、陽(yáng)極） 與膜（質(zhì)子交換膜）與膜（質(zhì)子交換膜） 壓合到一起的整體壓合到一起的整體

51、雙極板雙極板： 雙極板（集流板）、雙極板（集流板）、 流道、氣體擴(kuò)散層、流道、氣體擴(kuò)散層、 催化層。催化層。 電解質(zhì)是固體聚合物電解質(zhì)是固體聚合物質(zhì)子交換膜質(zhì)子交換膜 （1）質(zhì)子交換膜）質(zhì)子交換膜 質(zhì)子交換膜是一種厚度僅為質(zhì)子交換膜是一種厚度僅為50180m的膜片，的膜片，是電極活性物質(zhì)（催化劑）的基底。是電極活性物質(zhì)（催化劑）的基底。 作用作用： 兼有隔膜和電解質(zhì)的作用。兼有隔膜和電解質(zhì)的作用。 隔膜作用隔膜作用就是阻止陰陽(yáng)極之間氣體相通以及電子就是阻止陰陽(yáng)極之間氣體相通以及電子透過(guò)，防止氫氧混合生爆炸；透過(guò)，防止氫氧混合生爆炸； 電解質(zhì)的作用電解質(zhì)的作用是僅使質(zhì)子通過(guò)，這樣電子就被迫是僅使

52、質(zhì)子通過(guò)，這樣電子就被迫通過(guò)外電路流動(dòng)向外輸出電能。通過(guò)外電路流動(dòng)向外輸出電能。 目前目前常用的質(zhì)子交換膜為全氟磺酸型固體常用的質(zhì)子交換膜為全氟磺酸型固體聚合物。聚合物。 質(zhì)子可以自由地通過(guò)電解質(zhì)在膜中遷移，質(zhì)子可以自由地通過(guò)電解質(zhì)在膜中遷移，但是質(zhì)子的移動(dòng)受質(zhì)子交換膜潤(rùn)濕條件的但是質(zhì)子的移動(dòng)受質(zhì)子交換膜潤(rùn)濕條件的制約，膜潤(rùn)濕越好，質(zhì)子傳遞阻力越小，制約，膜潤(rùn)濕越好，質(zhì)子傳遞阻力越小，也就越容易通過(guò)，如果質(zhì)子交換膜干涸，也就越容易通過(guò)，如果質(zhì)子交換膜干涸，質(zhì)子傳遞則受阻，燃料電池性能就下降。質(zhì)子傳遞則受阻，燃料電池性能就下降。 （2）催化劑）催化劑 氣體擴(kuò)散電極上都含有一定量的催化劑。加快氣體

53、擴(kuò)散電極上都含有一定量的催化劑。加快電化學(xué)反應(yīng)的速度。電化學(xué)反應(yīng)的速度。 即質(zhì)子交換膜燃料電池的即質(zhì)子交換膜燃料電池的 陽(yáng)極陽(yáng)極反應(yīng)為氫的反應(yīng)為氫的氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)， 陰極陰極為氧的為氧的還原反應(yīng)還原反應(yīng)。 分類：分類： 陰極催化劑：要求是足夠的催化活性和穩(wěn)定性陰極催化劑：要求是足夠的催化活性和穩(wěn)定性 陽(yáng)極催化劑：還應(yīng)具有抗陽(yáng)極催化劑：還應(yīng)具有抗CO中毒的能力中毒的能力 材料：材料： 貴金屬貴金屬Pt作為電催化劑作為電催化劑 催化劑研究的重點(diǎn)主要在兩個(gè)方面：催化劑研究的重點(diǎn)主要在兩個(gè)方面： 一是盡量提高一是盡量提高Pt的利用率，減少單位面積的使用的利用率，減少單位面積的使用量。量。 二是尋找新

54、的價(jià)格較低的非貴金屬催化劑。二是尋找新的價(jià)格較低的非貴金屬催化劑。 （3）雙極板）雙極板 定義：定義： 把若干個(gè)單體電池疊起來(lái)組成電池組。把若干個(gè)單體電池疊起來(lái)組成電池組。 主要作用：主要作用： 導(dǎo)電，提高電壓，導(dǎo)流燃料和氧氣以及導(dǎo)流冷導(dǎo)電，提高電壓，導(dǎo)流燃料和氧氣以及導(dǎo)流冷卻水。卻水。 雙極板面向電極的表面刻有用于燃料和氧氣雙極板面向電極的表面刻有用于燃料和氧氣（空氣）流動(dòng)的溝槽。雙極板中間的溝槽是冷卻（空氣）流動(dòng)的溝槽。雙極板中間的溝槽是冷卻水的通道，用來(lái)帶走反應(yīng)生成的富余熱量。水的通道，用來(lái)帶走反應(yīng)生成的富余熱量。 雙極板的設(shè)計(jì)主要考慮：雙極板的設(shè)計(jì)主要考慮： 導(dǎo)電性能、密封、氣體分布和

55、水、熱的排除等。導(dǎo)電性能、密封、氣體分布和水、熱的排除等。 目前制作雙極板的材料：目前制作雙極板的材料： 主要有石墨、表面改性的金屬、炭黑主要有石墨、表面改性的金屬、炭黑-聚合物合聚合物合成材料等，其制造工藝已經(jīng)比較成熟。成材料等，其制造工藝已經(jīng)比較成熟。 碳或碳的合成材料成本低。然而，即使采用無(wú)碳或碳的合成材料成本低。然而，即使采用無(wú)孔碳板作為極板的原材料，雙極板的加工成本依孔碳板作為極板的原材料，雙極板的加工成本依然較高。然較高。3. PEMFC電堆電堆 定義：定義： 將單體電池以疊加的結(jié)構(gòu)形式串聯(lián)連接組成電將單體電池以疊加的結(jié)構(gòu)形式串聯(lián)連接組成電池組，得到池組，得到100300V的電壓之

56、后再使用，稱之的電壓之后再使用，稱之為為PEMFC電堆。電堆。 圖圖7-17PEMFC電堆電堆4.PEMFC的水、熱管理的水、熱管理 電堆運(yùn)行時(shí)，質(zhì)子交換膜需要保持一定的濕度，電堆運(yùn)行時(shí)，質(zhì)子交換膜需要保持一定的濕度，反應(yīng)生成的水需要排除。反應(yīng)生成的水需要排除。 質(zhì)子交換膜燃料電池的運(yùn)行溫度一般在質(zhì)子交換膜燃料電池的運(yùn)行溫度一般在80左左右，此時(shí)其運(yùn)行效能最好，右，此時(shí)其運(yùn)行效能最好， 反應(yīng)氣體進(jìn)入電堆前需要預(yù)加熱，加濕，電堆反應(yīng)氣體進(jìn)入電堆前需要預(yù)加熱，加濕，電堆發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱量將使電堆溫度升高，必須采取發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱量將使電堆溫度升高，必須采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施，以保持質(zhì)子交換膜燃料電池電適當(dāng)

57、的冷卻措施，以保持質(zhì)子交換膜燃料電池電堆工作溫度穩(wěn)定。堆工作溫度穩(wěn)定。通常用熱交換器與純水增濕裝通常用熱交換器與純水增濕裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。置進(jìn)行調(diào)節(jié)，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。 5.PEMFC的優(yōu)缺點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： (1)高效節(jié)能，通過(guò)氫的氧化合作用，直接將化學(xué)高效節(jié)能，通過(guò)氫的氧化合作用，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)能轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)50%60%； (2)使用固體電解質(zhì)膜，可以避免電解質(zhì)腐蝕；使用固體電解質(zhì)膜，可以避免電解質(zhì)腐蝕； (3)環(huán)境友好，可實(shí)現(xiàn)零排放，其唯一的排放物是環(huán)境友好，可實(shí)現(xiàn)零排放，其唯一的排放物是純凈水或水蒸氣，運(yùn)行噪聲低

58、，是環(huán)保型能源；純凈水或水蒸氣，運(yùn)行噪聲低，是環(huán)保型能源； (4)工作電流大，比功率高，比能量大；工作電流大，比功率高，比能量大； (5)可靠性高，維護(hù)方便可靠性高，維護(hù)方便 ； (6)發(fā)電效率受負(fù)荷變化影響很小，非常適合于用發(fā)電效率受負(fù)荷變化影響很小，非常適合于用作分散型發(fā)電裝置，也適于用作電網(wǎng)的作分散型發(fā)電裝置，也適于用作電網(wǎng)的“調(diào)峰調(diào)峰發(fā)電機(jī)組；發(fā)電機(jī)組； (7)冷啟動(dòng)時(shí)間短，可在數(shù)秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)；冷啟動(dòng)時(shí)間短，可在數(shù)秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)； (8)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制造方便，體積小、重量輕，便于設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制造方便，體積小、重量輕，便于攜帶；攜帶； (9)燃料的來(lái)源極其廣泛燃料的來(lái)源極其廣泛 ； (10

59、)清潔無(wú)污染；清潔無(wú)污染； (11)效率隨輸出功率變化的特性好，燃料電池的效率隨輸出功率變化的特性好，燃料電池的效率隨輸出功率變化的特性比內(nèi)燃機(jī)更適合于汽效率隨輸出功率變化的特性比內(nèi)燃機(jī)更適合于汽車的實(shí)際運(yùn)行。車的實(shí)際運(yùn)行。 (12)過(guò)載能力強(qiáng)，燃料電池的短時(shí)過(guò)載能力可達(dá)過(guò)載能力強(qiáng)，燃料電池的短時(shí)過(guò)載能力可達(dá)200的額定功率，更適合于汽車的加速、爬坡的額定功率，更適合于汽車的加速、爬坡等工況。等工況。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： (1)質(zhì)子交換膜的價(jià)格高，生產(chǎn)所需技術(shù)高，能生質(zhì)子交換膜的價(jià)格高，生產(chǎn)所需技術(shù)高，能生產(chǎn)的廠家少；產(chǎn)的廠家少； (2)對(duì)對(duì)CO敏感，需要盡可能降低燃料中敏感，需要盡可能降低燃料中C

60、O的濃度，的濃度，以避免催化劑中毒；以避免催化劑中毒； (3)目前由于主要以貴金屬鉑作為催化劑，因此催目前由于主要以貴金屬鉑作為催化劑，因此催化劑成本高；化劑成本高； (4)壽命短，在使用的過(guò)程中容易出現(xiàn)性能的衰減。壽命短，在使用的過(guò)程中容易出現(xiàn)性能的衰減。 預(yù)期預(yù)期： 在質(zhì)子交換膜的改性、開(kāi)發(fā)低廉并存儲(chǔ)量大的在質(zhì)子交換膜的改性、開(kāi)發(fā)低廉并存儲(chǔ)量大的元素作為催化劑、提高電池壽命等方面有較大突元素作為催化劑、提高電池壽命等方面有較大突破，才能降低燃料電池成本，使燃料電池盡早提破，才能降低燃料電池成本，使燃料電池盡早提上商業(yè)運(yùn)作日程。上商業(yè)運(yùn)作日程。6.在燃料電池汽車上的應(yīng)用舉例在燃料電池汽車上的