燃料电池基本原理和电动汽车基础

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1、燃料电池基本原理和 电动汽车基础许光辉第一部分燃料电池基本原理燃料电池定义燃料电池是一种能够持续的通过发 生在阳极和阴极的氧化还原反应将化学能 转化为电能的能量转换装置。燃料电池与 常规电池的区别在于，它工作时需要连续 不断地向电池内输入燃料和氧化剂，只要 持续供应，燃料电池就会不断提供电能。燃料电池特点 由于燃料电池能将燃料的化学能直接转换 为电能，因此，它没有像普通火力发电厂 那样的通过锅炉、汽轮机、发电机的能量 形态变化，可避免过程中转换损失，达到 市制发电效率。 燃料电池优点 1）由于输出功率单位由堆的输出功率定， 故机组容量具有自由度；部分负荷时也能 保持高的效率； 2）通过与燃料供

2、给装置的组合，可适用范 围的燃料； 3） 没有尺寸效应，很小的燃料电池仍具有 和大尺寸相仿的效率；燃料电池优点 4)转换效率高，可达60% ； 5)没有运转部件，噪音小； 6)NOx及SOx等的排出量少，有利环保,若以 氢为燃料，排放是水，电池部分可实现“ 零排放”燃料电池分 类根据工作温度可分为:低温型、中温型和高温型三种 。根据电解质的种类可分为：碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC) 、聚合物离子膜燃料电池(PEMFC)。燃料电池原 理燃料电池由阳极、阴 极和离子导电的电解 质构成，其工作原理 与普通电化学电池类

3、似，燃料在阳极氧化 ，氧化剂在阴极还原 ，电子从阳极通过负 载流向阴极构成电回 路，产生电流。燃料氧化剂阳极阴极电 解 质导电离子各种燃料电池的工作原理碱性燃料电池聚合物离子膜燃料电池磷酸燃料电池熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池直接甲醇燃料电池 第二部分 燃料电池汽车基础开发燃料电池汽车的必要性必要性 ! ! 依赖石油， 中国人将不可能实现普及汽车的 梦想 ! ! !（能源和环境两方面）能源问题 l十几二十年之后，我国汽车的普及率完全可能接 近发达国家的水平。如果按欧洲的一半，即每千 人300辆计算，总保有量就是4.5亿辆。l按每辆汽车年消耗燃油1吨计（目前欧洲的水平 1.5吨，日本1吨，

4、中国2.2吨），4.5亿辆车需要 4.5吨燃油。l有关专家预测，2020年国内的石油年产量可达到 1.8亿吨，如进口 2.7亿吨，共计4.5亿吨。如其中 2/3给汽车用，炼成燃油约2亿吨。汽车燃油存在2 亿吨以上巨大缺口。发展电动汽车是降低石油依赖、保障国家能源安全的战 略措施 我国汽车保有量将快速增长 车用汽柴油需求不断增大,石 油供应安全面临严峻挑战 年份汽油 消耗量柴油 消耗量燃油 总消耗量201078448133159772012908793341842120151080111277220792020153921514630538我国未来车用燃油消耗量预测（单位：万吨）我国未来石油进口

5、依存度预测（单位：亿吨）我国未来汽车保有量预测（单位：万辆）世界石油平均价格（FOB）欧美日汽车二氧化碳排放限值2009年9月胡锦涛 主席在联合国气候 变化峰会上承诺， 中国5年减排15亿吨 CO2。发达国家汽车行业 CO2排放量约占总排 放量25%左右。我国在售轿车百公 里油耗平均8.06升 ，相当汽车每公里 二氧化碳排放量为 161.2g。汽车工业发展也面临二氧化碳排放的巨大压力机动车与大气污染 我国城市环境污染治理仍然严峻。 年全国监测的个城市中，空气质 量达到三级标准的城市占、劣 于三级标准的城市占。全国共有 39个城市的空气质量低于三级。有数据表 明，机动车排放越来越成为城市的主要大

6、 气污染源。 2007年国际能源机构的一项调查结果表明 ，美国、中国、俄罗斯和日本的二氧化碳 排放量几乎占全球总量的一半。调查表明 ，美国二氧化碳排放量居世界首位，年人 均二氧化碳排放量约 20 吨，总量占全球 的 23.7%。中国年人均二氧化碳排放量为 2.51 吨，总量约占全球的 13.6%。中国面 临越来越大的CO2减排压力。 100%内燃机驱动100%电驱动微混合动力纯电动与混合 动力双模式纯内燃机汽车纯电动汽 车轻度混合动力重度混合动力中度混合动力增程式电 动汽车从纯内燃机汽车到纯电动汽车氢燃料电氢燃料电 池汽车池汽车混合动力汽车的节能原理 停车停机：在交通拥堵的城市，停车怠速时间超

7、 过总行驶时间的30%以上； 制动能量回收：在频繁加减速的城市行驶工况下 ，制动消耗的能量会占到车辆行驶能量消耗的 50%； 减小发动机排量：传统汽车为满足加速性和最大 车速要求，内燃机的峰值功率约为车辆巡航所需 功率的3-5倍； 优化发动机：传统汽车内燃机必须满足很大的速 度和负载范围的油耗与排放要求（如乘用车15工 况标准）。混合动力汽车的主要类型(1) 微混合，也称“启停（Start-Stop) ”式; 在交通拥堵的城市，可实现节油率5-10%; 优点是汽车结构改变很小，成本增加很少，易于 实现； 主要缺点是：当停车需要空调时，不起作用； 奇瑞公司的“启停式”轿车已投放市场。混合动力汽车

8、的主要类型(2) 轻混合，平时主要使用内燃机动力，电池 电机在汽车加速爬坡时提供辅助动力，同 时具有制动能量回收和“启停”功能； 发动机排量可减少10-20%，电机的功率约 为内燃机的10%，节油率可达到10-15%； 技术难度相对小，成本增加不很多； 长安公司的ISG电机混合动力汽车将投放市 场。混合动力汽车的主要类型(3) 重混合，电机和内燃机可以独立或联合驱 动车辆，低速起步、倒车和低速行驶时可 以纯电动驱动，同时具有制动能量回收和“ 启停”功能； 电机的功率约为内燃机的50%，节油率可 达到30-50%； 技术难度较大，成本增加多； 典型的例子是丰田的Pruis。混合动力汽车的主要类型

9、(4) 可充电混合动力（Plug-in），可以利用 电网的电力进行充电，实现较长距离的纯电动行 驶，同时具有制动能量回收功能； 电机的功率接近内燃机，电池容量考虑纯电动行 驶里程来选定，节油率（不计电能）最大可达到 100%； 成本增加，与增加的动力电池容量相关； 普遍认为是未来混合动力汽车的主要方向； 比亚迪公司开发的“双模式”混合动力轿车已经少 量下线。电动汽车关键零部件 电机 自主开发的永磁无刷电机、交流异步电机 和开关磁阻电机实现了整车小批量配套能 力轿车用永磁电机比功率超过1300w/kg，电 机系统最高效率达93以上，功率覆盖 200kW以下民用电动车辆范围90kW车用永磁驱动电机

10、技术指标接近国际 先进水平：系统功率密度1.36kW/kg、电 机峰值效率97%、高效区（系统效率 80%）70%电动汽车关键零部件 燃料电池 燃料电池可靠性、寿命等方面取得较大进展， 经受住奥运示范等一系列国际示范应用活动的 考验 低压燃料电池电堆动态寿命提升 燃料电池发动机输出功率大幅提升 整机运行的可靠性、耐久性和低温启动性能， 以及环境适应性有较大提高 我国已成为世界上少数几个掌握车用百千瓦级 燃料电池发动机研发、制造以及测试技术的国 家之一 我国发展电动汽车的有利条件和比较优势 巨大的多元化市场锂离子动力电池价格为3-4元/Wh，远低 于欧美日（约14元/Wh） 稀土永磁电机价格约为

11、目前国际价格的 60%15324政策向好，体制优势电力盈余，削峰填谷产业雄厚，资源丰富市场需求巨大，成本优势明显设施后发优势，运营模式灵活电动汽车发展的宏观政策导向基本形成集中力量办大事的社会主义经济体制仅通过提高现有火电装机的利用小时数 即可满足30年推算供给。 充电过程谐波可解决，还可对电网起到 “削峰填谷”作用 电动自行车、摩托车产业迅猛发展，保 有量超过5000万辆，世界最大生产国。锂资源储量380多万吨，世界第二位 稀土资源储量6588万吨，世界最大的轻 型电动车生产国和市场 城市化建设发展空间巨大多种灵活的充电运行模式 消费者调查结果：在3400名被访的普通消费者中接近70%的人可以接受最高车 速60-80km/h、一次充电行驶里程100-160km的小型、中低速纯电动汽车 消费者调查结果：阻碍消费者购买电动 轿车的主要因素仍在于对充电管理困 难程度的担心条件 优势结 语 面对能源与环境的压力，开发和使用燃料 电池汽车势在必行。而技术的进步又为解 决这个问题现实的可能性，我们完全可以 大胆的设想，未来日常生活中的汽车必定 是完全意义上电车。