科目新能源汽車概論任課教師授課班級(jí)課時(shí)2課時(shí)授課時(shí)間教學(xué)方法講授法章節(jié)名稱3.1燃料電池電動(dòng)汽車一、燃料電池教學(xué)目標(biāo)能夠描述燃料電池的分類方法。能夠闡述燃料電池的基本類型。能夠闡述燃料電池的特點(diǎn)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)燃料電池的基本類型。難點(diǎn)然料電池的特點(diǎn)。教學(xué)流程教學(xué)過(guò)程備注新課引入大家好，今天我們將要探索一種高效、環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)——燃料電池。教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容一、燃料電池1.燃料電池的定義燃料電池是將燃料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能對(duì)外輸出的裝置。其基本工作原理如圖3-1所示。燃料電池是繼火電、水電、核電之后的第四種發(fā)電方式。從表面上看，燃料電池與蓄電池一樣，有正、負(fù)極和電解質(zhì)等，都能輸出電能，但燃料電池不能通過(guò)充電的方法儲(chǔ)存電能，燃料電池本質(zhì)上就是一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)器，其在反應(yīng)過(guò)程中需要一直消耗燃料和空氣。2.燃料電池的類型燃料電池按照不同的分類方式，可以分為不同的類型。按其工作溫度分按燃料電池工作溫度的不同，可分為低溫、中溫和高溫三種。1）低溫燃料電池的工作溫度要低于200°C，電解質(zhì)采用水溶液，但需要金屬鉑作為催化劑才能達(dá)到工作所需的高電壓及高電流密度，該電池所采用的燃料一般為氫氣或純化后的含氫燃料。代表電池有堿性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池。2）中溫燃料電池的工作溫度為200~750°C。中溫燃料電池結(jié)合了高溫燃料電池和低溫燃料電池的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)去掉了它們的部分缺點(diǎn)。工作溫度在200~750°C的中溫燃料電池能夠提高貴金屬催化劑的一氧化碳耐受能力，從而使得金屬和合成樹(shù)脂等材料有可能作為電池的連接和密封材料，這樣可以降低燃料電池的成本，還可以延長(zhǎng)燃料電池的使用壽命。代表電池有磷酸燃料電池。3）高溫燃料電池的工作溫度要大于750°C。燃料電池需要用熔融鹽或固體氧化物作為電解質(zhì)，高溫燃料電池能在不使用特殊催化劑的情況下達(dá)到一定的高電壓及高電流密度。高溫燃料電池的燃料選擇多樣，除氫氣外，還可采用天然氣、甲烷、沼氣等作為燃料。代表電池有熔融碳酸鹽燃料電池和固體氧化物燃料電池。（2）按燃料的來(lái)源分按燃料電池燃料來(lái)源的不同，可將其分為直接式、間接式和再生式三種。1）直接式燃料電池的燃料主要是液態(tài)或氣態(tài)的純氫氣，這樣可以不用再利用汽化去產(chǎn)生氫氣，但還是需要鉑、金、銀等貴重金屬作為催化劑。直接式甲醇燃料電池也不用預(yù)先進(jìn)行重整，直接就可以將甲醇在正極處轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫氣，但缺點(diǎn)在于需要比使用純氫燃料消耗更多的鉑催化劑。2）間接式燃料電池主要是將天然氣、甲烷、汽油、LPG、二甲醚等作為燃料，經(jīng)過(guò)重整和純化后轉(zhuǎn)換為氫或含氫燃料再提供給燃料電池進(jìn)行轉(zhuǎn)化。3）再生式燃料電池可以把燃料電池反應(yīng)生成的水經(jīng)合理的方法重新分解成氫,再循環(huán)輸送給燃料電池進(jìn)行發(fā)電。（3）按燃料電池采用的電解質(zhì)分根據(jù)燃料電池所使用的電解質(zhì)的不同，可將其分為質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固態(tài)氧化物燃料電池等。1）質(zhì)子交換膜燃料電池使用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，其工作溫度大約在80℃。在這樣的低溫下運(yùn)行，需要利用電極上的一層鉑來(lái)進(jìn)行催化，這樣才能夠確保電化學(xué)反應(yīng)可以正常進(jìn)行。質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)唯一的液體為水，因此耐腐蝕性能好，電池的使用壽命較長(zhǎng)。質(zhì)子交換膜燃料電池即使在低溫狀態(tài)下也能夠在短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)，并且可以在短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到滿載運(yùn)行，電流的密度和功率的密度比較高，發(fā)電效率可以達(dá)到50%，運(yùn)行較為可靠，是目前電動(dòng)汽車動(dòng)力電源的不錯(cuò)之選。質(zhì)子交換膜燃料電池也可用來(lái)代替移動(dòng)電源、小型發(fā)電裝置、便攜款電器的電源等作為使用。2）堿性燃料電池利用石棉網(wǎng)作為電解質(zhì)的承載物件，將氫氧化鉀水溶液作為電解質(zhì)，工作溫度一般在高溫(約為200℃)時(shí)會(huì)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的氫化鉀作電解質(zhì)，在溫度較低時(shí)(小于120℃)時(shí)則采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的氫化鉀作電解質(zhì)。堿性燃料電池工作時(shí)需要以純氫氣當(dāng)電池陽(yáng)極的燃料氣體，用純氧為電池陰極上氧化劑，用金、銀等貴重金屬或者是其它的過(guò)渡金屬作為催化劑。堿性燃料電池的電解質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)，因而其使用壽命較短。與其他燃料電池相比，堿性燃料電池的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)間短，功率密度高，性能可靠，是目前技術(shù)水平比較成熟的燃料電池之一。堿性燃料電池還涉及到航天、軍事、發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用。3）磷酸燃料電池所采用的電解質(zhì)為磷酸水溶液，電池工作溫度在150~200℃之間，其電極跟質(zhì)子交換膜電池一樣也需要用鉑作為催化劑來(lái)加速反應(yīng)。在低溫時(shí)，其電池發(fā)電效率只能達(dá)到45%，燃料方面需要進(jìn)行重整改質(zhì)，改質(zhì)后燃料中CO的體積分?jǐn)?shù)必須小于0.5%。由于磷酸作為電解質(zhì)具有一定的腐蝕作用，使磷酸燃料電池的使用壽命較低。如今磷酸燃料電池的技術(shù)已趨成熟，產(chǎn)品也順利進(jìn)入商業(yè)化。磷酸燃料電池的缺點(diǎn)之一是起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，因此，不適合用在轎車上，但其使用在公共汽車已有成功的案例。磷酸燃料電池也可以用作現(xiàn)場(chǎng)可移動(dòng)電源及備用電源等使用。4）熔融碳酸鹽燃料電池的電解質(zhì)為堿性碳酸鹽，其工作溫度大概在600~800℃。其電解質(zhì)在高溫下會(huì)出現(xiàn)熔融狀態(tài)，在高溫下電極反應(yīng)不需要鉑等貴重金屬催化劑。該電池可以直接將天然氣和石油等化合物作為燃料，因其工作溫度高，所以發(fā)電的效率比較高因。但是由于其需要經(jīng)過(guò)比較長(zhǎng)的工作時(shí)間才能達(dá)到需要的工作溫度，所以熔融碳酸鹽燃料電池不能作為電動(dòng)汽車的電池。而且由于其電解質(zhì)的溫度和腐蝕特性，熔融碳酸鹽燃料電池也不適合用作移動(dòng)電源或者是便攜式電器的不間斷電源。由于熔融碳酸鹽燃料電池具有較高的發(fā)電效率，因此將它用于大規(guī)模的發(fā)電場(chǎng)所是一種比較不錯(cuò)的選擇。5）固態(tài)氧化物燃料電池的電解質(zhì)是采用了固態(tài)的金屬氧化物，工作溫度較高達(dá)到了650~1000℃。固態(tài)氧化物燃料電池的電極部分也無(wú)需鉑等貴重金屬作為催化劑使用，而且由于是固態(tài)的電解質(zhì)，所以不會(huì)有電解質(zhì)蒸發(fā)和電池材料腐蝕的問(wèn)題，電池的使用壽命較長(zhǎng)。目前，固態(tài)氧化物燃料電池壽命可以達(dá)到連續(xù)工作70000小時(shí)。固態(tài)氧化物燃料電池也可以使用天然氣和石油等化合物作為燃料。燃料在其內(nèi)部可以進(jìn)行重整改質(zhì)。由于固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度很高，電池不易密封，起動(dòng)的時(shí)間也很長(zhǎng)，所以不能作為緊急電源使用，但可以用作中小容量的分散型電源(500kW~50MW)，也可以用于大容量的集中型電廠(大于100MW)。上述5種燃料電池的特點(diǎn)對(duì)比可以詳見(jiàn)表燃料電池的特點(diǎn)種類堿性燃料電池磷酸燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池碳酸鹽燃料電池固態(tài)氧化物燃料電池電解質(zhì)KOH水溶液磷酸水溶液質(zhì)子交換膜堿性碳酸鹽氧化鋯陶瓷工作穩(wěn)定/°C70~200150~20080600~800650~1000燃料H2H2H2、甲醇、天然氣等CO、H2CO、H2氧化劑02空氣空氣或O2空氣空氣啟動(dòng)時(shí)間幾分鐘2~4h幾分鐘大于10h大于10h主要優(yōu)點(diǎn)啟動(dòng)快、效率高，可在室溫下工作對(duì)Co不敏感啟動(dòng)快、比功率高、工作溫度低、使用壽命長(zhǎng)效率高、無(wú)須貴重金屬作為催化劑效率高、無(wú)須貴重金屬作為催化劑主要缺點(diǎn)需用純氧化劑，有腐蝕性效率較低，有腐蝕對(duì)CO敏感，成本較高工作溫度較高，控制復(fù)雜，有