燃料電池

及超級(jí)電容技術(shù)分析

任務(wù)導(dǎo)入：

燃料電池?zé)o污染、無噪聲、高效率。豐田公司從2014年推出了第一代Mirai氫燃料電池汽車至今，經(jīng)過多年的開發(fā)研究，技術(shù)日趨成熟，于2020年又推出了第二代Mirai氫燃料電池汽車。我國車企如廣汽、上汽大通、長城汽車、長安汽車等近年也陸續(xù)推出自己的氫燃料電池汽車。另外，由于超級(jí)電容具有充電速度快、循環(huán)壽命長、功率密度高等特點(diǎn)，為了彌補(bǔ)氫燃料汽車制造氫氣的難度大和成本高的不足，各國汽車企業(yè)開始推出超級(jí)電容汽車。我國在超級(jí)電容汽車推廣上，走在了世界的前面，宇通插電式混合動(dòng)力城市客車、上海超級(jí)電容快速充電公交車已經(jīng)運(yùn)行了多年。作為新能源汽車維修企業(yè)的技術(shù)人員，應(yīng)掌握燃料電池、超級(jí)電容技術(shù)，能對(duì)燃料電池、超級(jí)電容進(jìn)行技術(shù)分析。

任務(wù)目標(biāo)

1．知識(shí)目標(biāo)

（1）熟悉燃料和超級(jí)電容結(jié)構(gòu)、類型；

（2）了解鎳燃料電池、超級(jí)電容的工作原理；

（3）熟悉燃料電池、超級(jí)電容特點(diǎn)。

2．能力目標(biāo)

（1）能描述燃料電池和超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)、類型；；

（2）能描述燃料電池和超級(jí)電容的結(jié)構(gòu)、類型；

（3）能描述燃料電池和超級(jí)電容的特點(diǎn)。

一、燃料電池概述

燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此效率較高。

燃料電池用燃料和氧氣作為原料，同時(shí)沒有機(jī)械傳動(dòng)部件，故排放出的有害氣體極少，使用壽命長。

二、燃料電池的組成

燃料電池主要由電極、電解質(zhì)隔膜與集電器等組成。

1、電極

燃料電池電極主要分兩部分：陽極和陰極。

燃料電池電極厚度一般為200－500mm，其結(jié)構(gòu)與一般電池電極不同，燃料電池的電極為多孔結(jié)構(gòu)。

2、電解質(zhì)隔膜

電解質(zhì)隔膜的主要功能是分隔氧化劑與還原劑，并傳導(dǎo)離子。

3、集電器

集電器又稱雙極板（BipolarPlate），具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導(dǎo)反應(yīng)氣體等功用。三、燃料電池的類型

1.固體氧化物燃料電池(SOFC)；

2.氫燃料電池；

3.直接甲醇燃料電池(DMFC)。

（1）固體氧化物燃料電池固體氧化物燃料電池是一種直接將燃料氣和氧化氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置，具有一般燃料電池的結(jié)構(gòu)。第一輛裝有固體氧化物燃料電池輔助電源系統(tǒng)(APU)的汽車,由巴伐利亞發(fā)動(dòng)機(jī)公司與德爾福汽車系統(tǒng)公司合作推出，于2001年2月16日在德國慕尼黑問世。

2.氫燃料電池

氫燃料電池以氫氣作為燃料，與氧氣經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后透過質(zhì)子交換膜產(chǎn)生電能。

氫和氧反應(yīng)生成水，不排放碳化氫、一氧化碳、氮化物和二氧化碳等污染物，無污染，發(fā)電效益高。

氫燃料電池還未完全實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的主要原因是制造氫氣的難度大和成本高。未大規(guī)模工業(yè)化？制氫方式電解水制氫（耗能大）生物制氫（未成熟）以煤、石油、天然氣為原料加熱制氫（主要）甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化制氫（近年）氫燃料電池的優(yōu)點(diǎn)無污染無噪聲高效率氫燃料電池工作原理

以豐田Mirai氫燃料電池車為例：2014年，豐田汽車推出了第一代Mirai氫燃料電池汽車，它的動(dòng)力系統(tǒng)主要由儲(chǔ)氫罐、儲(chǔ)能電池（動(dòng)力電池）、燃料電池堆、高壓儲(chǔ)氣罐、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)等組成，如圖所示。

1.

燃料電池總成

Mirai燃料電池總成主要包括CVM（電堆巡檢）、銅排、殼體和電堆等，如圖下所示。其中，電堆的主要作用是在一定裝配力施加和反應(yīng)物供給下安全可靠的對(duì)外發(fā)電。Mirai燃料電池

燃料電池主要部件電堆巡檢

殼體

電堆

（1）CVM（電堆巡檢）

作用：采集燃料電池單體電壓、電堆總電壓信號(hào)，將采集到的電壓信號(hào)輸入燃料電池控制器，燃料電池控制器根據(jù)巡檢信號(hào)判斷電池的工作狀態(tài)，并做對(duì)應(yīng)的控制。

電堆巡檢相當(dāng)于鋰電池的BIC，其外形及安裝位置如圖所示。電堆巡檢外形及安裝位置（2）電堆（堆棧）

電堆的結(jié)構(gòu)如圖所示。2.儲(chǔ)能電池（動(dòng)力電池豐田

Mirai儲(chǔ)能電池Mirai儲(chǔ)能電池安裝在座椅后方，用來儲(chǔ)存制動(dòng)能量和燃料電池輸出的剩余電能，在加速時(shí)輔助燃料電池供電，同時(shí)，給車載用電器供電。儲(chǔ)能電池外觀如右圖所示。

儲(chǔ)能電池用34組鎳氫電池模組組成，輸出電壓244.8V（7.2×34），容量1.6kW.h。

3.

高壓儲(chǔ)氫罐

Mirai燃料電池堆兩個(gè)高壓儲(chǔ)氣罐位于車身后部，容積分別為60L和62.4L，儲(chǔ)氣壓力可達(dá)70Mpa，用碳纖維和凱夫拉復(fù)合材料做成。儲(chǔ)氫罐上裝有止逆閥式的易熔塞泄壓閥，在車輛著火的情況下，易熔塞會(huì)受熱融化并強(qiáng)制性地排除氫氣。車速在80km/h車輛發(fā)生追尾不會(huì)對(duì)氫罐造成損傷，如圖所示。高壓儲(chǔ)氫罐和易熔塞泄壓閥

4.氫加注口和對(duì)外供電口

Mirai配有氫燃料加注口和對(duì)外供電口。燃料電池堆除了驅(qū)動(dòng)車輛，還可以通過對(duì)外供電口為外部設(shè)備提供電能，如圖所示。氫燃料加注口和對(duì)外供電口

三、超級(jí)電容

超級(jí)電容，又名電化學(xué)電容，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是上世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。一般有幾法至幾千法拉的容量。超級(jí)電容器可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。

超級(jí)電容的類型1.按儲(chǔ)能原理分有雙電層超級(jí)電容、贗電容超級(jí)電容；2.按電解質(zhì)分水性電解質(zhì)超級(jí)電容、有機(jī)電解質(zhì)超級(jí)電容。

超級(jí)電容的特點(diǎn)：1.充電速度快，充電10秒～10分鐘可達(dá)到其額定容量的95%以上；2.循環(huán)使用壽命長，深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達(dá)1~50萬次，沒有“記憶效應(yīng)”；3.大電流放電能力超強(qiáng)，能量轉(zhuǎn)換效率高大電流能量循環(huán)效率≥90%；4.功率密度高，超級(jí)電容功率密度可達(dá)300W/KG~5000W/KG，相當(dāng)于電池的5~10倍；5.綠色環(huán)保，原材料構(gòu)成、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存及拆解沒有污染，是綠色環(huán)保電源；6.充放電線路簡單，無需充電電池類型充電電路，安全系數(shù)高，長期使用免維護(hù)；7.超低溫特性好，溫度范圍寬-40℃～+70℃；8.檢測(cè)方便，剩余電量可直接讀出；

超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)：

1）很小的體積下達(dá)到法拉級(jí)的電容量；

2）無須特別的充電電路和控制放電電路；

3）過充、過放電不影響使用壽命；

4）從環(huán)保的角度考慮是綠色能源；

5）超級(jí)電容器可焊接，不存在接觸不良問題。

缺點(diǎn)：

使用不當(dāng)容易出現(xiàn)電解液泄漏現(xiàn)象，內(nèi)阻較大不適用交流電路。

超級(jí)電容的應(yīng)用：

（1）超級(jí)電容在插電式混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用

在插電式混合動(dòng)力汽車上，如宇通插電式混合動(dòng)力城市客車ZK6125CHEVNPG29，采用磷酸鐵鋰電池+超級(jí)電容作為動(dòng)力能量來源，解決了汽車?yán)m(xù)駛里程與加速爬坡性能之間的矛盾，其中由鋰電池提供最佳的續(xù)駛里程，而由超級(jí)電容在加速和爬坡時(shí)提供短時(shí)的輔助動(dòng)力。

（2）超級(jí)電容在純電動(dòng)公交車上的應(yīng)用

電容快速充電公交車是以超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，在候車站安置智能柔性充電弓快速充電，利用公交車?？空?、乘客上下車的30秒內(nèi)完成充電，使公交車成為城市內(nèi)全線路離線運(yùn)行的環(huán)保節(jié)能型電動(dòng)公交車。

（3）超級(jí)電容在燃料汽車上的應(yīng)用

在燃料電池汽車上，主動(dòng)力源為燃料電池,超級(jí)電容為輔助動(dòng)力源,超級(jí)電容只是在燃料電池啟動(dòng)?汽車爬坡和加速時(shí)提供功率,在汽車制動(dòng)時(shí)能回收制動(dòng)能量?課堂練習(xí)一、填空1.

是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱

。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第

種發(fā)電技術(shù)。2.燃料電池主要由

、

與

等組成。3.燃料電池電極主要分兩部分：

和

。4.燃料電池有

、

、

三種類型。5.氫燃料電池以

作為燃料，與

經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生電能。6.氫氣的制造方法有

、

、

、

幾種，目前主要的大規(guī)模產(chǎn)氫方式是

制氫。

7.豐田Mirai氫燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)主要由

、

、

、

、

等組成。8.

又名電化學(xué)電容，雙電層電容、黃金電容、法拉電容，是一種通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的電化學(xué)元件。9.超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）

；

（2）

；

（3）

；

（4）

；

（5）