新能源汽車概論-第3章電動汽車用動力電池

教學目的：了解電池的類型熟悉電池的性能指標了解電動汽車對動力蓄電池的要求教學重點：電池的類型、電池的性能指標教學難點：電池的類型、電池的性能指標類型：新授課教學方法：講練結(jié)合引入：動力電池系統(tǒng)是純電動汽車能量的唯一來源，混合動力汽車、燃料電池汽車的主要能量來源。因此，在電動汽車能源裝置布置形式上可以分為兩類。引入案例P84一、電池的類型電池分為化學電池、物理電池和生物電池三大類。1.化學電池(1)化學電池是利用物質(zhì)的化學反響發(fā)電，按工作性質(zhì)分為原電池、蓄電池、燃料電池和(2)原電池是指電池放電后不能用簡單的充電方法使活性物質(zhì)復原而繼續(xù)使用的電池。(3)蓄電池是指電池在放電后可以通過充電的方法使活性物質(zhì)復原而繼續(xù)使用的電池，這種充放電可以達數(shù)十次到上千次循環(huán)。(4)燃料電池又稱連續(xù)電池，是指參加反響的活性物質(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。〔5〕儲藏電池是指電池±極與電解質(zhì)在儲存期間不直接接觸，使用前注入電解液或者使用其它方法使電解液與±極接觸，此后電池進入待放電狀態(tài)。①化學電池按電解質(zhì)分為酸性電池、堿性電池、中性電池、有機電解質(zhì)電池、非水無機電解質(zhì)電池、固體②化學電池按電池的特性分為高容量電池、密封電池、高功率電池、免維護電池、防爆電池③化學電池按土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。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，如太陽能電池、超級電容器、飛輪電池等。3．生物電池生物電池是利用生物化學反響發(fā)電的電池，如微生物電池、酶電池、生物太陽電池等。域中，超級電容器也應(yīng)用于電動汽車中。生物燃料電池在車用動力中應(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)已進入重要開展階段。二、電池的性能指標同，其性能指標也有差異?！?〕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。①電池的端電壓是指電池正極與負極之間的電位差；②開路電壓是指電池在沒有負載情況下的端電壓；③額定電壓是電池在標準規(guī)定條件下工作時應(yīng)到達的電壓；蓄電池充足電時，極板上的活性物質(zhì)已到達飽時允許的最低電壓。2．容量〔1〕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，它等于放電電流與放〔2〕電池的容量可以分為理論容量、實際容量、標稱容量和額定容量等。①理論容量是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計算而得到的最高理論值。②實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間的乘積，單位為Ah，其值小于理論容量。③標稱容量是用來鑒別電池的近似安時值。④額定容量也叫保證容量，是按國家或有關(guān)部門公布的標準，保證電流在一定的放電條件下應(yīng)該放出的最容量。〔1〕定義;電池的阻是指電流流過電池部時所受到的阻力。電池充滿電時的阻〔與之對應(yīng)的是放電態(tài)阻，指電池充分放電后的阻。一般說來，放電態(tài)阻比充電態(tài)阻大，解液的消耗及電池部化學物質(zhì)活性的降低，電池的阻會有不同程度的升高。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。它影響電動汽車的行駛距離。能量分為理論能量、實際能量、比能量和能量密度。能量是電池實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，常用比能量來比擬不同的電池系統(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。5．功率功率決定了電動汽車的加速性能和爬坡能力。功率分為比功率和功率密度。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。6．輸出效率〔1〕動力電池作為能量存儲器，充電時把電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存起來，放電時把電能釋放出來。在這個可逆〔2〕容量效率是指電池放電時輸出的容量與充電時輸入的容量之比；能量效率是指電池放電時輸出的能量與充7．自放電率自放電率是指電池在存放期間容量的下降率，即電池無負荷時自身放電使容量損失的速度。自放電率用單位時間容量降低的百分數(shù)表示。8．放電倍率〔1〕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間表示或者說以一定的放電電流放完額定容量所需的小時數(shù)來表示，由此可見，放電時間越短，即放電倍率越高，那么大。(0.5~3.5C)、高倍率(3.5~7.0C)、超高倍率(>7.0C)。9．使用壽命(1)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)生部短路或損壞而不能使用，以及容量達不到規(guī)要求時電池使用失效，這時電池的使用壽命終止。(2)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間，包括電池的存放時間。使用周期是指電池可供重復使用的次數(shù)。除此之外，本錢也是一個重要的指標，電動汽車開展的瓶頸之一就是電池價格高。三、電動汽車對動力電池的要求(1)比能量高。為了提高電動汽車的續(xù)駛里程，要求電動汽車上的動力電池盡可能儲存多的能量，但電動汽車又不能太重，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。為了能使電動汽車在加速行駛、爬坡能力和負載行駛等方面能與燃油汽車相競爭，就要求電池率。(3)充放電效率高。電池中能量的循環(huán)必須經(jīng)過充電—放電—充電的循環(huán)，高的充放電效率對保證整車效率具有至關(guān)重要的作用。(4)相對穩(wěn)定性好。電池應(yīng)當在快速充放電和充放電過程變工況的條件下保持性能的相對穩(wěn)定，使其在動力系統(tǒng)使用條件下能到達足夠的充放電循環(huán)次數(shù)。(5)使用本錢低。除了降低電池的初始購置本錢外，還要提高電池的使用壽命以延長其更換周期。(6)平安性好。電池應(yīng)不會引起自燃或燃燒，在發(fā)生碰撞等事故時，不會對乘員造成傷害。小結(jié)：概述本節(jié)作業(yè)：課后習題對蓄電池的充電方法和性能測試有初步的認識類型：新授課教學方法：講練結(jié)合的作用是汽車驅(qū)動系統(tǒng)的惟一動力源。而在裝備傳統(tǒng)發(fā)動機或燃料電池與蓄電池的混合動力汽車中，蓄電池既可扮演汽車驅(qū)動系統(tǒng)主要動力源的角色，也可充當輔助動力源的角色?？梢娫诘退俸蛦訒r，蓄電池扮演的是汽車驅(qū)動系統(tǒng)主要動力源的角色；在全負荷加速時，充當?shù)氖禽o助動力源的角色；在正常行駛或減速、制動時充當?shù)氖莾Υ婺芰康慕巧?。電動汽車電池可以分為蓄電池、鎳基電池〔鎳一氫及鎳一金屬氫化物電池、鎳一福及鎳一鋅電池〕電動汽車電池、池11?鉛酸蓄電池的分類鉛酸蓄電池分免維護鉛酸蓄電池和閥控密封式鉛酸蓄電池。需要補充蒸餾水。它具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點。使用壽命一般為普通鉛酸蓄電池的兩倍。不會排酸霧，電池蓋子上設(shè)有溢氣閥(也叫平安閥)，該閥的作用是當電池部氣體量超過一定值，即當電池部氣壓升高到一定值時，溢氣閥自動翻開，排出氣體，然后自動關(guān)閉，防止空氣進入電池部。2．鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)鉛酸蓄電池的根本結(jié)構(gòu)如圖P90所示。它由±極板、隔板、電解液、溢氣閥、外殼等局部組成。3．鉛酸蓄電池的工作原理響，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W能而儲蓄起來，這種蓄電過程叫做充電。鉛酸蓄電池是酸性蓄電池，其化學反響式為PbOHSOPbSOHO24424.鉛酸蓄電池具有以下優(yōu)點：(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；(5)上下溫性能良好，可在-40~60C條件下工作；(6)電能效率高達60%；(8)易于識別荷電狀態(tài)。5.鉛酸蓄電池具有以下缺點：(1)比能量低，在電動汽車中所占的質(zhì)量和體積較大，一次充電行駛里程短；(2)使用壽命短，使用本錢高；(3)充電時間長；(4)鉛是重金屬，存在污染。二、鎳氫電池1鎳氫電池是90年代開展起來的一種新型電池。它的正極活性物質(zhì)主要由鎳制成，負極活性物質(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、無污按照外形，鎳氫電池方形鎳氫電池和圓形鎳氫電池2．鎳氫電池的結(jié)構(gòu)鎳氫電池主要由正極、負極、極板、隔板、電解液等組成。鎳氫電池的根本單元是單體電池，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(1)鎳氫電池正極是活性物質(zhì)氫氧化鎳，負極是儲氫合金，用氫氧化鉀作為電解質(zhì)，在±極之間有隔(2)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行預充電，且放電電壓不能低于0.9V，工作電壓也不太穩(wěn)定，為防止發(fā)泡鎳氫電池老化所造成的阻增高，鎳氫電池在出廠前必理，也不需要進行預充電，電壓平衡、穩(wěn)定，具有低溫放電性能好、不易老化和壽命長的優(yōu)點。3.鎳氫電池的工作原理1)鎳氫電池是將物質(zhì)的化學反響產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置。(2)鎳氫電池由鎳氫化合物正電極、儲氫合金負電極以及堿性電解液(比方30%的氫氧化鉀溶液)組成。密封一次鎳氫電池的性能特點主要取決于本身體系的電極反響。時，那么認為放電已完。電壓1.1V稱為8C率放電時的放電終止電壓(0.6V~0.8V)。4.鎳氫電池的特點鎳氫電池具有無污染、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)壽命長的特點。(1)比功率高。目前商業(yè)化的鎳氫功率型電池能做到1350W/kg。。目前應(yīng)用在電動車上的鎳氫動力電池，80%放電深度(DOD)循環(huán)可以達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，在混合動力汽車中可使用5年以(3)無污染。鎳氫電池不含鉛、鎘等對人體有害的金屬，為21世紀“綠色環(huán)保電源〞。(4)耐過充過放。(5)無記憶效應(yīng)。(6)使用溫度圍寬。正常使用溫度圍-30~55C;貯存溫度圍-40~70C。(7)平安可靠。短路、擠壓、針刺、平安閥工作能力、跌落、加熱、耐振動等平安性、可靠性試驗無爆炸、燃燒現(xiàn)象。三、鎳鎘電池1鎳鎘電池是一種堿性蓄電池，比能量可達55Wh/kg，比功率超過190W/kg，可快速充電，循環(huán)使用壽命較長，可到達2000屢次。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)鎘鎳電池采用金屬鎘作負極活性物質(zhì)，氫氧化鎳作正極活性物質(zhì)的堿性蓄電池。組裝在塑料或鍍鎳鋼殼。2．鎳鎘電池充放電時的電化學反響位于負極的鎘(Cd)和氫氧化鈉(NaOH)中的氫氧根離子(OH-)化合成氫氧化鎘，并附著在陽極上，同時也放出電子。電子沿著電線至陰極，和陰極的二氧化鎳與氫氧化鈉溶液中的水反響形成氫氧化鎳和氫氧(1)放電反響式:負極反響：Cd+20H-TCd(OH)2+2e-正極反響:2NiO(OH)+2H2O+2e-=2Ni(OH)2+2OH-正極反響:Ni(0H)2-e+OH-=NiO(OH)+H20負極反響：Cd(OH)2+2e-tCd+2OH-總反響:Cd(OH)2+Ni(OH)2tCd+2NiO(OH)+H2O3．鎳鎘蓄電池的容量(1)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)。(2)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。(3)使用不同成分電解液，對蓄電池的容量和壽命有一定影響。(4)電解液的溫度對蓄電池的容量影響較大。這是因為隨著電解液溫度升高，極板活性物質(zhì)的化學反響也〔5〕電解液中的有害雜質(zhì)越多，蓄電池的容量越小。4.優(yōu)點〔1〕鎳鎘電池可重復500次以上的充放電，非常的經(jīng)濟;〔2〕阻小，可供大電流的放電，當它放電時電壓的變化很小，作為直流電源是一種質(zhì)量極佳的電池;〔4〕與其他種類電池相比之下，鎳鎘電池可耐過充電或放過電，操作簡單方便;〔5〕長時間的放置下也不會使性能劣化，當十分充完電后即可恢復原來的特性;〔6〕可使用在很廣的溫度圍;〔7〕因為它采用金屬容器而作成，有機械性的鞏固;〔8〕鎳鎘電池在非常嚴格的品質(zhì)管理下被制造完成，有非常優(yōu)良的品質(zhì)性賴性。四、鋰離子電池2鋰離子電池:是一種二次電池〔充電電池〕，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài);放電時那么相反。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極，是現(xiàn)代高性能電池的代表?！?〕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。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、鎳鈷鋰離子鋰離子電池。高溫環(huán)境下循環(huán)壽命更短，高溫時會出現(xiàn)錳離子溶出的現(xiàn)象。第二代是具有美國專利的磷酸鐵鋰離子電池，是鋰離子電池的開展方向，由于原材料價格低且磷、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，高溫和高熱穩(wěn)定性好，儲能特性強，完全無毒。2?鋰離子電池的結(jié)構(gòu)子電池由正極、負極、隔板、電解液和平安閥等組成。圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)如圖P96所示。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LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，負極采用鋰-碳層間化合物LixC6，電解液為有機溶液。鋰離子電池的工作原理，電池在充電時，鋰離子從正極材料的晶格中脫入充電時:xLi+xe+6C宀Lj放電時：LixC6xLi+xe+6C鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌〔習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示〕。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入為"搖椅電池"。/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱極。而作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時即我們使用電池的過程〕,嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時電池發(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因為電池部的電化學反響需要時間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會產(chǎn)生泡沫，反而不滿。4.鋰離子電池的特點鋰離子電池有許多顯著特點，它的優(yōu)點主要表現(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到達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。目前鋰離子電池循環(huán)壽命已到達1000次以上，在低放電深度下可達幾萬次，超過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6~8%，遠低于鎳鎘電池(25~30%)和鎳氫電池(5)無記憶性?？梢愿鶕?jù)要求隨時充電，而不會降低電池性能。(6)對環(huán)境無污染。鋰離子電池中不存在有害物質(zhì)，是名副其實的“綠色電池〞。(7)能夠制造成任意形狀。5.鋰離子電池也有一些缺乏，主要表現(xiàn)在：(1)本錢高。主要是正極材料LiCoO2的價格高，但按單位瓦時的價格來計算，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)必須有特殊的保護電路，以防止過充。五、鋅鎳電池1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壽命和鋅銀電池中鋅負極高容量的優(yōu)越性能，是一種高性能綠色二次動力電池。鎳鋅電池電壓高。與過去的AA電池相比它的電壓到達1.6V。比鎳氫電池的1.2V要高得多，更適用于傳統(tǒng)的使用1.5V電池的電器。它可以使閃光燈回電更快。使數(shù)碼相機充分用完其電量。而很多鎳氫電池用在數(shù)碼相機上僅使用了30%的電量就低電關(guān)機了。(2021年12AA0mAh左右，但是，它的放電能量已經(jīng)到達8300焦耳以上。與目鎳鋅電池放電電流強。已經(jīng)運用在電動汽車上了。一顆AA鎳鋅電池，在2A電流放電下可以放出超過鎳鋅電池由于至2021還是比擬新的產(chǎn)品，全球主要由一個美國公司PowerGenix生產(chǎn)，所以價格還是比擬高。相信在未來幾年其價格可以降到鎳氫電池同一水平。vvv?1.9v。在實際使用中，有人將電池過充過放導致電池失效或損壞，詳情搜索“鎳1．鋅鎳電池的結(jié)構(gòu)〕鎳正極鎳電極的主要活性材料是Ni〔OH〕2。當前使用的鎳電極主要分為燒結(jié)式和非燒結(jié)式。非燒結(jié)式正極較Negativeelectrode負極覆球型氫氧化鎳即得鎳正極。用于一次電池，充電態(tài)的ZnO多用于二次電池?？墒且驗閆nO具有半導體特性，導電性能較差，如果制備的鎳鋅二次電池的鋅負極材料全是ZnO，將會有較高的初始電阻，其電極必須小電流充電活化，復原一定比例的ZnO生成Zn，利用金屬鋅Zn良好的導電性減少鋅負極的電阻，提高充放電效率，使電極的電化學性能得到改善。所以鎳鋅二次電池中，鋅負極的活性物質(zhì)主要為ZnO〔充電態(tài)〕中添加一些金屬Zn〔放電態(tài)〕，以減少初始充電時的高電阻，同時也會添加某些緩蝕劑以改善鋅負極的性能。因為ZnO在堿性電解液中具有的一定溶解性會造成鋅負極的枝晶形變和鈍化等不良影響。(3)隔膜膜置于電池的±極之間，防止±極活性材料直接接觸造成電池短路。隔膜不僅要能抗鋅枝晶穿透，還(4)電解液電池±極材料的性能的發(fā)揮直接受電解液種類和濃度的影響。氫氧化鉀溶液是常被堿性電池選作電解液。負極活性物質(zhì)ZnO是兩性氧化物，在堿性電解液中有一定的溶解性，這直接影響著鋅負極活性物質(zhì)的利用率。因此，通常在電解液中會添加少量LiOH。正極的活性物質(zhì)顆粒外表上會吸附Li，防止活性物顆粒聚結(jié)，電極活性物質(zhì)的利用率提高，Li還能防止電極膨脹，改善電極反響的可逆性和充電過程2.鋅鎳電池的電化學反響機理鋅鎳電池放電反響方程式為：sitelectrode2NiOOH+2H2O+2e-——2Ni(0H)2+20H-2NiOOH+2H2O+Zn——2Ni(OH)2+Zn(OH)2鋅鎳電池開路電壓1.83V，工作電壓大于1.6V，理論比能量334Wh/Kg，實際比能量約60Wh/Kg，據(jù)稱國某些研究機構(gòu)與企業(yè)已經(jīng)做到80~100Wh/Kg，接近鋰離子電池的比能量。3．鋅鎳電池的特點(1)比能量高，可達50~80Wh/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1.65V，高于鎳氫和鎳鎘電池；(4)工作溫度寬，為-20~60C;(6)電池的生產(chǎn)和使用過程對環(huán)境不產(chǎn)生污染;)價格低。六、空氣電池1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。它具有無污染、放電電壓平穩(wěn)、高比能量、阻小、儲存壽命長、工藝技術(shù)要求較低、高比功率等優(yōu)點。(1)鋅空氣電池是以空氣中的氧氣為正極活性物質(zhì)，金屬鋅為負極活性物質(zhì)的一種新型化學電源。鋅空氣池的特點;其次，正極活性物質(zhì)來自電池外部的空氣中所含的氧，理論上有無限容量，是燃料電池的典型特有如下優(yōu)點：①比能量高。鋅空氣電池理論比能量達到1350Wh/kg以上，實際比能量在1000Wh/kg以上，屬于大容量高能化學電源。于現(xiàn)在普通使用的鉛酸蓄電池。③放電時電壓變化很小。性能穩(wěn)定，放電平穩(wěn)。加之鋅電極電壓穩(wěn)定，故因放電時陰極催化劑本身不起變④貯存壽命特佳。鋅空氣原電池實際上是屬于貯備型電池。⑤平安可靠，無污染。從生產(chǎn)到使用，從新產(chǎn)品到廢品回收，都不會污染環(huán)境，更不會燃燒爆炸，堪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。④電解液碳酸化。⑤空氣電極催化劑活性偏低。2鋁空氣電池鋁空氣電池是用高純鋁或鋁合金作陽極，用空氣(氧)電極作陰極，用堿或鹽作電解液。在放電過程中陽極溶解，空氣中的氧被復原而釋放出電能。鋁空氣電池具有如下優(yōu)越性：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。(3)空氣電池可攜帶燃料長距離行駛，節(jié)約能源，元件可快速更換，是電動自行車的理想電源。(4)平安可靠，無污染，從生產(chǎn)到使用，從新產(chǎn)品到廢品回收，都不會污染環(huán)境，不會燃燒爆炸，堪稱綠(5)鋁的儲量豐富，價格廉價，鋁是地球上含量最豐富的金屬元素之一。(6)鋁空氣電池無需充電，補充鋁電極和電解液后即可產(chǎn)生電流。放電曲線平穩(wěn)，放電時間長，操作方(7)鋁電極的生產(chǎn)工藝和設(shè)備比擬簡單，投資少，研制費用低?？稍O(shè)計成電解液循環(huán)和不循環(huán)兩種結(jié)構(gòu)形式，便于因使用場合不同而進行設(shè)計。七、蓄電池的充電方法11．蓄電池常規(guī)充電方法(1)恒流充電法恒流充電法是通過調(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度保持不變的充電方法。(2)分段電流充電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，如下圖。2)三階段充電法(3)恒壓充電法持恒定的數(shù)值，隨著蓄電池端電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。(4)恒壓限流充電法為了克服恒壓充電法中初期電流過大，而使充電設(shè)備不能承受的缺點，常采用恒壓限流充電法來代替恒為第二階段的恒壓充電過程；當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即可停止充電。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反響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反響速度(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極的吸收能力，使負極的吸收快速充電的速度是有上限的，不可能無限制的提高蓄電池的充電速度。(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蓄電池充電，然后停充一段時間，如此循環(huán)。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根底上。其特點是將恒流充電段改為限壓變電流間歇充期。3)變電壓間歇充電法變電壓間歇充電法如下圖。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1.蓄電池充放電性能測試(1)蓄電池充電性能測試性能主要是指充電效率、充電最高電壓和耐過充能力等。①充電效率是指電池在充電時充入電池的電能與所消耗的總電能之比，以百分數(shù)表示。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②充電最高電壓是指在充電過程中電池所能到達的最高電壓。充電電壓越低，說明電池在充電過程中的極化就越小，電池的充電效率就越高，電池的使用壽命就有可能更長。使用性能?！?〕蓄電池放電性能測試能受放電時間、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的放電方法。池的工作電壓是衡量電池放電性能的一個重要指標，放電曲線反映了整個放電過程中工作電壓的變化過程，是一個變化的值，因此，一般以中點電壓來表示工作電壓的大小。中點電壓是指額定放電時間中點時刻電池主要用來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試儀來測試。2.電池容量的測試恒于恒流放電，電池容量等于放電電流和放電時間的乘積。恒流放電的電池容量不僅與放電電流有很大關(guān)系，放電溫度、充電制度、擱置時間等也有關(guān)系。電池容量可以用專用的蓄電池容量檢測儀測試。3.電池壽命的測試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，在進行壽命測試時，要嚴格控制測試條件。通常是在一定的充放電條件下進行循環(huán)，然后檢測電池容量的衰減，當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%〕終止實驗，此時的循環(huán)次數(shù)就是電池的循環(huán)壽命。對于不同類型的蓄電池，循環(huán)壽命的測試規(guī)定是不同的，具體可參考相應(yīng)國家標準或國際電工委員會〔IEC〕制訂的標準。電池的壽命可以用專用的蓄電池循環(huán)壽命檢測設(shè)備來測試。4.電池阻、壓的測試阻很小，測直流阻時由于電極容易極化，產(chǎn)生極化阻，故無法測出其真實值；而測其交流阻可免除極化阻的影響，得出真實的阻值。交流阻測試方法是利用電池等效于一個有源電阻的特點，給電池一個1000Hz、50mA的恒定電流，對其電壓采樣整流濾波等一系列處理從而精確地測量其阻值?？捎脤ｉT的阻儀來測試。電池的壓是由于充放電過程中產(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。一般電池壓均維持在正常水平，在過充或過放情況下，電池壓有可能會升高。5.上下溫環(huán)境下電池性能的測試電動汽車動力電池可能會在不同的環(huán)境溫度下使用，高溫或低溫對電池的充電或放電性能都有影響，應(yīng)分別對各溫度下電池充放電性能進行測試。20C常溫和55C的高溫進行放電性能的測試。要求按規(guī)定的方法測試時，在-20C時，其容量應(yīng)不低于額定值的70%;在55C時，其容量應(yīng)不低于額定值的95%;在20C高倍率放電時，對于能量型蓄電池，其容量應(yīng)不低于額定值的90%；對于功率型蓄電池，其容量應(yīng)不低于額定值的80%。上下溫測試所需的儀器和充放電性能測試根本是一致的，只是在恒溫箱中測定不同溫度下的電池性能。6.自放電及儲存性能的測試能是指電池開路時，在一定的溫度、濕度等條件下儲存時容量下降率的大小，是衡量電池過了一段時間的儲存，可以讓部各成分的電化學性能穩(wěn)定下來，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)。態(tài)下，電池儲存的電量在一定環(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，電池儲存溫度越低，自放電率也越低，但也應(yīng)注意溫度過低或過高均有可能造成電池損壞無法使用。電池充滿一定程度的自放電屬于正?，F(xiàn)象。7.電池平安性能測試小結(jié)概述本節(jié)：業(yè)教學目的：了解燃料電池的類型和特點；了解電動汽車對燃料電池的要求、掌握質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)原理和特點熟悉氫的存儲和輸送方法教學重點：質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)原理和特點、氫的存儲和輸送方法教學難點：質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)原理和特點引入：燃料電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有±極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上19日據(jù)物理學家組織網(wǎng)報道，美國科學家開發(fā)出一種直接以生物質(zhì)為原料的低溫燃料電池。這種燃料電池只料電池高出近100倍。相關(guān)論文已發(fā)表在?自然?雜志子刊?自然通訊?上。一、燃料電池的分類0.51．按燃料電池的運行機理分類根據(jù)燃料電池的運行機理的不同，可分為(1)酸性燃料電池；(2)堿性燃料電池。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)子瓷燃料電池(PCFC)等。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。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；(3)乙醇燃料電池等。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，可分為料電池。二、燃料電池電動汽車對燃料電池的要求0.5FCEV對燃料電池性能根本要求有以下幾方面：(1)燃料電池的比能量不低于150~200Wh/kg，比功率不低于300~400W/kg，要求到達或超過美國先進電池聯(lián)合體所提出的電池性能和使用壽命的指標；(2)可以在-20C的條件下起動和工作，有可靠的平安性和密封性，不會發(fā)生燃料氣體的結(jié)冰和燃料氣體(3)各種結(jié)構(gòu)件有足夠的強度和可靠性，可以在負荷變化情況下正常運轉(zhuǎn)，并能夠耐受(4)FCEV除排放到達零污染的要求外，動力性能要求根本到達或接近燃機汽車的動力性能的水平，性能(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(6)燃料充添方便、迅速，燃料電池能夠方便地進行電極和催化劑的更換和修理；(7)所配置的輔助電源，應(yīng)能滿足提供起動電能和儲存制動反響電能的要求。三、燃料電池的特點0.51．燃料電池的優(yōu)點(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到達60%，而在局部功率輸出條件下運轉(zhuǎn)效率可以到達70%，在過載功率輸出條件下運轉(zhuǎn)效率可以到達50~55%。(3)無振動和噪聲、壽命長。在整個工作過程中，沒有噪聲和機械振動的產(chǎn)生，從而減少機械器件的磨損，延長了使用壽命。(4)結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)。2．燃料電池的缺點(1)燃料種類單一。是燃料電池的唯一燃料。氫氣的產(chǎn)生、儲存、保管、運輸和灌裝或重整，都比擬復雜，對平安性要求很高。(2)要求高質(zhì)量的密封。密封不良的燃料電池，氫氣會泄漏到燃料電池的外面，降低了氫的利用率并嚴重影響燃料電池發(fā)動機的效率，還會引起氫氣燃燒事故。由于要求嚴格的密封，使得燃料電池發(fā)動機的制造工藝很復雜，并給使用和維護帶來很多困難。(3)價格高。制造本錢高，電池價格昂貴。(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的反響能量。通常在燃料電池汽車上還要增加輔助電池，來儲存燃料電池富裕的電能和在燃料電池汽車減速時接受再時的能量。四、燃料電池系統(tǒng)1燃料電池實際上不是“電池〞，而是一個大的發(fā)電系統(tǒng)。對于質(zhì)子交換膜燃料電池，需要有燃料供給系統(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)、平安系統(tǒng)等組成。1.系統(tǒng)組成4)水管理系統(tǒng)5〕熱管理系統(tǒng)力系統(tǒng)氫的存儲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，儲氫和重整制氫。2.氫的存儲與輸送①存儲技術(shù)：目前使用比擬廣泛的儲氫技術(shù)有高壓儲氫、液態(tài)儲氫和儲氫材料儲氫。這三種技術(shù)在實際運用中的效果很大程度上受到材料性能的制約。儲氫材料儲氫技術(shù)更有優(yōu)勢，尤其是使用碳納米管儲氫。②研究方向：隨著材料科學的開展，儲氫技術(shù)的開展主要集中開發(fā)密度更小、強度更高的材料，以提高儲氫罐的壓力；開發(fā)絕熱性能更好的材料，以減少液氫的蒸發(fā)，提高使用時的平安性；開發(fā)高容量的儲氫材料，特別是碳納米管等的制造技術(shù)。氫率比蒸汽重整的低，但它結(jié)構(gòu)緊湊、本錢低、起動時間短、動態(tài)響應(yīng)速度快，對燃料的適應(yīng)性也更強，因而高；雖然它也可使用燃料氣與空氣混合，但反響后需加凈化處理裝置，其本錢亦很高。3〕重整制氫在不同的使用條件下發(fā)揮出它們各自的優(yōu)勢。蒸汽重整是目前使用最廣泛的制氫方式。生成。蒸汽重整器的開展經(jīng)歷了常規(guī)型、熱交換型和平板型3個過程。常規(guī)型蒸汽重整器的容量較大，目前已實現(xiàn)商業(yè)化，但工作條件高(850C,1.5~2.5MPa)，制換型重整器外形尺寸大大減小,工作條件降低(700C,0.3MPa),制造本錢下降,且隨負荷變化性能較好,目前已成功應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)中。近年來出現(xiàn)的平板型結(jié)構(gòu)更加緊湊,本錢進一步降低,但目前技術(shù)還不成熟。如果在擴大催化劑的使用圍和延長使用壽命上有突破,將會在蒸汽重整裝置中很有競爭力。②局部氧化重整。局部氧化重整將燃料與氧相結(jié)合制氫,并生成一氧化碳。局部氧化重整的產(chǎn)氫率比蒸汽重整的低,但它結(jié)構(gòu)緊湊、本錢低、起動時間短、動態(tài)響應(yīng)速度快,對燃料的適應(yīng)性也更強,因而更具潛力。但是,如果采用無催化系統(tǒng),常有碳煙和其它副產(chǎn)物生成；而采用有催化劑系統(tǒng),又常因催化劑外表的局部高溫而損傷催化劑,在反響過程中的穩(wěn)定性也是一大難題。局部氧化重整最好用純氧,但價格較高；雖然它也可使用燃料氣與空氣混合,但反響后需加凈化處理裝置,其本錢亦很高。③自動供熱重整。自動供熱重整將燃料與水蒸汽兩者結(jié)合,因此,由水蒸汽重整反響吸收的熱量平衡了從局部氧化重整反響中所放出的熱量。自動供熱重整相對于蒸汽重整結(jié)構(gòu)簡單,無需龐大的換熱裝置,制造本錢低,對燃料的要求也降低,可使用醇類和重烴類的液體燃料；相對于局部氧化重整來說,自動供熱重整由于氧化反響放出的熱量直接被吸熱的蒸汽重整反響吸收,所以系統(tǒng)的效率也提高了。但自動供熱重整要求同時調(diào)節(jié)好氧氣、水蒸汽和燃料之間的比例,控制比擬困難,并且在重整中易產(chǎn)生積碳現(xiàn)象而損傷催化(4)等離子體重整。等離子體重整是一種先進的制氫技術(shù),它采用等離子激發(fā)重整反響的發(fā)生,可在滿足制氫效率的情況下進行小規(guī)模生產(chǎn),同時降低本錢。一般等離子重整器在中小型制氫系統(tǒng)上經(jīng)濟效益比擬明顯,因為等離子兩電極的反響分別為：的能量密度很高,使得重整器結(jié)構(gòu)緊湊、起動快、動態(tài)響應(yīng)快,根本不需要催化劑,而且它對燃料的適應(yīng)性很冷等離子兩種,產(chǎn)生氫氣的過程與傳統(tǒng)技術(shù)一樣,它也包括蒸汽重整、局部氧化和熱分解等。采用熱等離子技術(shù),反響氣體溫度高,熱損大且不易控制。溫度升高也產(chǎn)生了對電極的腐蝕。等離子重整器不宜工作在高壓下,因為在高壓下限制了電弧的靈活性,增加了電極的腐蝕,而減少電極壽命。五、質(zhì)子交換膜燃料電池1nefuelcellPEMFC的場所，陰極為氧化劑復原的場所，兩極都含有加速電極電化學反響的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。1.質(zhì)子交換膜燃料電池的根本結(jié)構(gòu)P116PEMFC由質(zhì)子交換膜，催化劑層，擴散層、集流板〔又稱雙極板〕組成，如圖P116〔1〕質(zhì)子交換膜〔2〕電催化劑〔3〕電極〔5〕極流板與流場2．質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理PEMFC〞裝置。其單電池由陽極、陰極和質(zhì)子交換膜組成，陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑復原的場所，兩極都含有加速電極電化學反響的催化劑，質(zhì)子交換膜為電解nefuelcellPEMFC的場所，陰極為氧化劑復原的場所，兩極都含有加速電極電化學反響的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。工作時相當于一直流電源，其陽極即電源負極，陰極為電源正極。注意所有的電子e都省略了負號上標。由于質(zhì)子交換膜只能傳導質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過質(zhì)子交換膜到達陰極，而電子只能通過外電路才能到達陰極。當電子通過外電路流向陰極時就產(chǎn)生了直流電。以陽極為參考時，陰極電位為1.23V。也即每一單電池的發(fā)電電壓理論上限為1.23V。接有負載時輸出電壓取決于輸出電流密度，通常在0.5?1V之間。將多個單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實際負載需要的燃料電池堆(簡稱電堆)。電堆由多個單體電池以串聯(lián)方式層疊組合而成。將雙極板與膜電極三合一組件(MEA)各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導流均勻分配至電極，通過電極支撐體與催化劑接觸進行電化學反響。電堆的核心是MEA組件和雙極板。MEA是將兩噴涂有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置于經(jīng)預處理的質(zhì)子交換膜兩側(cè)，使催化劑靠近質(zhì)子交換膜，在一定溫度和壓力下模壓制成。雙極板常用石墨板材料制作，具有高密度、高強度，無穿孔性漏氣，在高壓強下無變形，導電、導熱性能優(yōu)良，與電極相容性好等特點。常用石墨雙極板厚度約2?3.7mm，經(jīng)銑床加工成具有一定形狀的導流流體槽及流體通道，其流道設(shè)計和加工工藝與電池性能密切相關(guān)。3.質(zhì)子交換膜燃料電池的優(yōu)點(1)能量轉(zhuǎn)化效率高。不通過熱機過程，不受卡諾循環(huán)的限制。(2)可實現(xiàn)零排放。沒有污染物排放，是環(huán)保型能源。(3)運行噪聲低，可靠性高。無機械運動部件，僅有氣體和水流動。(4)維護方便。部構(gòu)造簡單，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都非常方便，也很容易實現(xiàn)“免維護〞設(shè)計。(5)發(fā)動效率平穩(wěn)。(6)氫來源廣泛。七、磷酸燃料電池14.質(zhì)子交換膜燃料電池的的缺點主要有：(1)本錢高。因為膜材料和催化劑均十分昂貴。(2)對氫的純度要求高。這種電池需要純潔的氫。因為PEMFC的工作溫度低，啟動速度較快，功率密度較高(體積較小)，所以很適于用作新一代交通工PEMFC熟的電動車動力源，PEMFC電動汽車被業(yè)公認為是電動汽車的未來開展方向。燃料電池將會成為繼蒸汽機和燃機之后的第三代動力系統(tǒng)。六、堿性燃料電池0.5工作原理堿性燃料電池(AFC)以強堿為電解質(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散電極為氧化極，以Pt-Pd/C、Pt/C等具有良好催化氫電化學氧化的電催化劑制備的多孔氣體電極為氫電極。2．堿性燃料電池的特點AFC與其它類型燃料電池相比，具有以下特點：(1)AFC具有較高的效率(50%~55%)；(2)工作溫度大約80C,因此，它們的啟動也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十幾(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)本錢最低的一種電池；(5)是技術(shù)開展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機提供動力和飲用水，用于交通工具，具有一定的開展和應(yīng)用前景；(6)使用具有腐蝕性的液態(tài)電解質(zhì)，具有一定的危險性和容易造成環(huán)境污染，此外，為解決CO2毒化所磷酸燃料電池(簡稱PAEC)是以酸為導電電解質(zhì)的酸性燃料電池。PAEC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2．磷酸燃料電池的工作原理反響。3．磷酸燃料電池的特點PAEC的工作溫度要比PEMFC和AFC的工作溫度略高，位于150~200C左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反響。PAEC的效率比其它燃料電池低，約為40%，其加熱的時間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長。PAECPAEC作公共汽車的動力，而且有許多這樣力為0.2~20MW的工作裝置被安裝在世界各地，為醫(yī)院、學校和小型電站提供電力。八、熔融碳酸鹽燃料電池0.51．熔融碳酸鹽燃料電池的結(jié)構(gòu)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)是由多孔瓷陰極、多孔瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構(gòu)成的燃板組成。單體的上下為隔板/電流采集板，中間局部是電解質(zhì)板，電解質(zhì)板的兩側(cè)為多孔的陽極極板和陰極極板，其電解質(zhì)是熔融態(tài)碳酸鹽2．熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理燃料電池工作過程實質(zhì)上是燃料的氧化和氧化劑的復原過程。燃料和氧化劑氣體流經(jīng)陽極和陰極通道。氧化劑中的O2和CO2在陰極與電子進行氧化反響產(chǎn)生CO32-，電解質(zhì)板中的CO32-直接從陰極移動到陽極，燃料氣中的H2與CO32-在陽極發(fā)生反響，生成了CO2、H2O和電子。電子被集流板收集起來，然后到達隔板。隔板位于燃料電池單元的上部和下部，并和負載設(shè)備相連，從而構(gòu)成了包括電子傳輸和離子移動在的完整的回路。3．熔融碳酸鹽燃料電池的特點MCFC是一種高溫電池(600~700C)，具有效率高(高于40%)、噪音低、無污染、燃料多樣化(氫氣、煤氣、天然氣和生物燃料等)、余熱利用價值高和電池構(gòu)造材料價廉等諸多優(yōu)點，是未來的綠色電站。九、固體氧化物燃料電池1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存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學發(fā)電裝置。SOFC單體主要由電解質(zhì)、陽極或燃料極、陰極或空氣極和連接體或雙極板組成。2．固體氧化物燃料電池的工作原理SOFC工作時，電子由陽極經(jīng)外電路流向陰極，氧離子經(jīng)電解質(zhì)由陰極流向陽極。3?固體氧化物燃料電池的特點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:(1)SOFC是全固態(tài)的電池結(jié)構(gòu)，不存在電解質(zhì)滲漏問題，無需配置電解質(zhì)管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)長壽命運(2)對燃料的適應(yīng)性強，可直接用天然氣、煤氣和其他碳氫化合物作為燃料；(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，電極反響速度快，不需要使用貴金屬作電催化劑；(5)可使用高溫進行部燃料重整，使系統(tǒng)優(yōu)化；(7)廢熱的再利用價值高。(8)瓷電解質(zhì)要求中、高溫運行(600?1000C)，加快了電池的反響進行，還可以實現(xiàn)多種碳氫燃料氣體的部復原，簡化了設(shè)備。SOFC也存在缺乏之處:(1)氧化物電解質(zhì)材料為瓷材料，質(zhì)脆易裂，電堆組裝較困難;(2)高溫熱應(yīng)力作用會引起電池龜裂，所以主要部件的熱膨脹率應(yīng)嚴格匹配；(3)存在自由能損失；(4)工作溫度高，預熱時間較長，不適用于需經(jīng)常啟動的非固定場所。十、直接甲醇燃料電池0.5直接甲醇燃料電池(DMFC)是直接使用水溶液以及蒸汽甲醇為燃料供給來源，而不需通過重整器重整甲醇、汽油及天然氣等再取出氫以供發(fā)電。構(gòu)與原理陽極和陰極分別由多孔結(jié)構(gòu)的擴散層和催化劑層組成，通常使用不同疏水性、親水性的碳黑和聚四氟乙烯作為DMFC的陽極和陰極材料。DMFC主要由陽極、固體電解質(zhì)膜和陰極構(gòu)成。直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預先重整。甲醇在陽極轉(zhuǎn)電子通過外電路到達陰極，并做功。堿性條件2CHO+3O=2CO+42CHO+3O=2CO+4HOHO酸性條件總反響同上O這種電池的期望工作溫度為120C以下，比標準的質(zhì)子交換膜燃料電池略高，其效率大約是40%左右。直接甲醇燃料電池是質(zhì)子交換膜燃料電池的一種變種，它直接使用甲醇而勿需預先重整。甲醇在陽極轉(zhuǎn)換成二氧化碳和氫，如同標準的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，氫然后再與氧反響。2.直接甲醇燃料電池的特點(1)甲醇來源豐富，價格低廉，儲存攜帶方便；(2)與氫一氧PEMFC相比，結(jié)構(gòu)更簡單，操作更方便；(3)與PEMFC相比，體積能量密度更高；(4)與重整式甲醇燃料電池相比，它沒有甲醇重整裝置，重量更輕，體積更小，響應(yīng)時間更快。其缺點是當甲醇低溫轉(zhuǎn)換為氫和二氧化碳時要比常規(guī)的質(zhì)子交換膜燃料電池需要更多的白金催化劑。微生物燃料電池是利用電池的陽極來代替氧或硝酸鹽等天然的電子受體，通過電子的不斷轉(zhuǎn)移來產(chǎn)生電能。微生物氧化燃料所生成的電子通過細胞膜相關(guān)連組分或者通過氧化復原介體傳遞給陽極，再經(jīng)過外電路轉(zhuǎn)移到陰極，在陰極區(qū)電子將電子受體(如氧)復原，然后透過質(zhì)子交換膜轉(zhuǎn)移過來的質(zhì)子結(jié)合生成水。微生物燃料電池本質(zhì)上是收獲微生物代過程中生產(chǎn)的電子并引導電子產(chǎn)生電流的系統(tǒng)。微生物燃料電池的功率輸出取決于系統(tǒng)傳遞電子的數(shù)量和速率以及陽極與陰極間的電位差。由于微生物燃料電池并非一的裝置，最大效率有可能接近100%。十二、再生型燃料電池0.5再生燃料電池由電解池和燃料電池組成，向日時太陽能發(fā)電并電解水，生成氫氣與氧氣貯存起來；背日時，燃料電池發(fā)電，生成水，水可以循環(huán)使用，并保持儲能根本恒定。再生燃料電池具有高的比能量和比功率，使用中無自放電且無放電深度及電池容量的限制。再生型燃料電池的概念相對較新，但全球有許多研究小組正在從事這方面的工作。這一技術(shù)與普通燃料電池的相同之處在于它也用氫和氧來生成電、熱和水。其不同的地方是它還小結(jié)概述本節(jié)：業(yè)教學目的：了解太陽電池的發(fā)電原理和特點類型：新授課教學方法：講練結(jié)合引入：太陽能電池是利用太和材料相互作用直接產(chǎn)生電能，不需要消耗燃料和水等物質(zhì)，使用中不釋放包括二氧化碳在的任何氣體，是對環(huán)境無污染的可再生能源。這對改善生態(tài)環(huán)境、緩解溫室氣體的有害作用電器以及公用設(shè)施等部門，尤其可以分散地在遙遠地區(qū)、高山、沙漠、海島和農(nóng)村使用，以節(jié)省造價很貴的輸電線路。但是，從長遠來看，隨著太陽能電池制造技術(shù)的改良以及新的光-電轉(zhuǎn)換裝臵的創(chuàng)造，各國對環(huán)境的保護和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比擬切實可行的方法，可為人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的前景。一、太陽電池的分類1.按材料分類①硅系列太陽電池②化合物系列太陽電池2.按結(jié)構(gòu)分類①同質(zhì)結(jié)電池②異質(zhì)結(jié)電池③肖特結(jié)電池④光電化學電池二、太陽電池的特點〔1〕多晶硅太陽電池〔2〕多晶硅太陽電池〔3〕非晶硅太陽電池〔4〕硫化鎘、碲化鎘多晶硅太陽電池〔5〕砷化鎵化合物太陽電池〔6〕銅銦硒薄膜太陽電池三、太陽電池的發(fā)電原理假設(shè)光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被接納，具有足夠能量的光子可以在型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激起，致使發(fā)作電子-空穴對。界面層臨近的電子和空穴在復合之前，將經(jīng)由空間電荷的電場結(jié)果被相互分別。電子向帶正電的N區(qū)和空穴向帶負電的P區(qū)運動。經(jīng)由界面層的電荷分別，將在P區(qū)和N區(qū)之間發(fā)作一個向外的可測試的電壓。此時可在硅片的兩邊加上電作業(yè)：課后習題的電子-空穴對越多，電流越大。界面層接納的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽能電池中組成的p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。1)光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的蒸氣，再驅(qū)動汽輪機發(fā)電。前一個過程是光—熱轉(zhuǎn)換過程;后一個過程是熱—電轉(zhuǎn)換過程，與普通的火力發(fā)電一樣.太陽能熱發(fā)電的缺點是效率很低而本錢很高，估計它的投資至少要比普通火電站貴5?10倍。(2)光—電直接轉(zhuǎn)換方式該方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光—電轉(zhuǎn)換的根本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個半導個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比擬大的輸出功率的太陽能電池方陣了。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點.太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用與火力發(fā)電、核能發(fā)電相比，太陽能電池不會引起環(huán)境污染。1.開展過程2.應(yīng)用技術(shù)1)動力驅(qū)動2〕輔助設(shè)備能源小結(jié)：概述本節(jié)教學目的：了解超級電容器的結(jié)構(gòu)、分類和特點教學重點：超級電容器的結(jié)構(gòu)、分類和特點教學難點：超級電容器的結(jié)構(gòu)、分類和特點類型：新授課教學方法：講練結(jié)合引入：超級電容器是一種具有超級儲電能力、可提供強大脈沖功率的物理二次電源。它是介于蓄電池和傳統(tǒng)靜電電容器之間的一種新型儲能裝置。超級電容器主要是利用電極/電解質(zhì)界面電荷別離所形成的雙電層，或借助電極外表快速的氧化復原反響所產(chǎn)生的法拉第準電容來實現(xiàn)電荷和能量的儲存的。超級電容器又稱雙電層電容器、黃金電容、法拉第電容，它是一種電化學元件，在電極與電解液接觸面間具有極高的比電容器可反復充放電數(shù)十萬次。電極材料一般有碳電極材料、金屬氧化物及其水合物電極材料、導電聚合物電極材料，要求電極阻小、穩(wěn)定性〔提高單體電壓〕，電解質(zhì)材料分為有機類和無機類，或分為液態(tài)和固態(tài)類；集電極選用導電性能維通常使用聚合物或紙作為隔膜，水溶