燃料電池基本原理和電動汽車基礎(chǔ)

燃料電池基本原理和電動汽車基礎(chǔ)

許光輝第一部分燃料電池基本原理燃料電池定義燃料電池是一種能夠持續(xù)的通過發(fā)生在陽極和陰極的氧化還原反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池與常規(guī)電池的區(qū)別在于，它工作時需要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)輸入燃料和氧化劑，只要持續(xù)供應(yīng)，燃料電池就會不斷提供電能。燃料電池特點由于燃料電池能將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，因此，它沒有像普通火力發(fā)電廠那樣的通過鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的能量形態(tài)變化，可避免過程中轉(zhuǎn)換損失，達(dá)到市制發(fā)電效率。燃料電池優(yōu)點1）由于輸出功率單位由堆的輸出功率定，故機(jī)組容量具有自由度；部分負(fù)荷時也能保持高的效率；2）通過與燃料供給裝置的組合，可適用范圍的燃料；3）

沒有尺寸效應(yīng)，很小的燃料電池仍具有和大尺寸相仿的效率；燃料電池優(yōu)點4)轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)60%；5)沒有運轉(zhuǎn)部件，噪音??；

6)NOx及SOx等的排出量少，有利環(huán)保,若以氫為燃料，排放是水，電池部分可實現(xiàn)“零排放”．燃料電池分類根據(jù)工作溫度可分為:低溫型、中溫型和高溫型三種。根據(jù)電解質(zhì)的種類可分為：堿性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)、聚合物離子膜燃料電池(PEMFC)。燃料電池原理燃料電池由陽極、陰極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成，其工作原理與普通電化學(xué)電池類似，燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原，電子從陽極通過負(fù)載流向陰極構(gòu)成電回路，產(chǎn)生電流。燃料氧化劑陽極陰極電解質(zhì)導(dǎo)電離子各種燃料電池的工作原理堿性燃料電池聚合物離子膜燃料電池磷酸燃料電池熔融碳酸鹽燃料電池固體氧化物燃料電池直接甲醇燃料電池

第二部分燃料電池汽車基礎(chǔ)開發(fā)燃料電池汽車的必要性!!

依賴石油，

中國人將不可能實現(xiàn)普及汽車的夢想!!!（能源和環(huán)境兩方面）能源問題

十幾二十年之后，我國汽車的普及率完全可能接近發(fā)達(dá)國家的水平。如果按歐洲的一半，即每千人300輛計算，總保有量就是4.5億輛。按每輛汽車年消耗燃油1噸計（目前歐洲的水平1.5噸，日本1噸，中國2.2噸），4.5億輛車需要4.5噸燃油。有關(guān)專家預(yù)測，2020年國內(nèi)的石油年產(chǎn)量可達(dá)到1.8億噸，如進(jìn)口2.7億噸，共計4.5億噸。如其中2/3給汽車用，煉成燃油約2億噸。汽車燃油存在2億噸以上巨大缺口。發(fā)展電動汽車是降低石油依賴、保障國家能源安全的戰(zhàn)略措施我國汽車保有量將快速增長車用汽柴油需求不斷增大,石油供應(yīng)安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

年份汽油消耗量柴油消耗量燃油總消耗量201078448133159772012908793341842120151080111277220792020153921514630538我國未來車用燃油消耗量預(yù)測（單位：萬噸）我國未來石油進(jìn)口依存度預(yù)測（單位：億噸）我國未來汽車保有量預(yù)測（單位：萬輛）世界石油平均價格（FOB）歐美日汽車二氧化碳排放限值2009年9月胡錦濤主席在聯(lián)合國氣候變化峰會上承諾，中國5年減排15億噸CO2。發(fā)達(dá)國家汽車行業(yè)CO2排放量約占總排放量25%左右。我國在售轎車百公里油耗平均8.06升，相當(dāng)汽車每公里二氧化碳排放量為161.2g。汽車工業(yè)發(fā)展也面臨二氧化碳排放的巨大壓力機(jī)動車與大氣污染我國城市環(huán)境污染治理仍然嚴(yán)峻。２００６年全國監(jiān)測的５５９個城市中，空氣質(zhì)量達(dá)到三級標(biāo)準(zhǔn)的城市占２８．５％、劣于三級標(biāo)準(zhǔn)的城市占９．１％。全國共有39個城市的空氣質(zhì)量低于三級。有數(shù)據(jù)表明，機(jī)動車排放越來越成為城市的主要大氣污染源。2007年國際能源機(jī)構(gòu)的一項調(diào)查結(jié)果表明，美國、中國、俄羅斯和日本的二氧化碳排放量幾乎占全球總量的一半。調(diào)查表明，美國二氧化碳排放量居世界首位，年人均二氧化碳排放量約20噸，總量占全球的23.7%。中國年人均二氧化碳排放量為2.51噸，總量約占全球的13.6%。中國面臨越來越大的CO2減排壓力。

100%內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動100%電驅(qū)動微混合動力純電動與混合動力雙模式純內(nèi)燃機(jī)汽車純電動汽車輕度混合動力重度混合動力中度混合動力增程式電動汽車從純內(nèi)燃機(jī)汽車到純電動汽車氫燃料電池汽車混合動力汽車的節(jié)能原理停車停機(jī)：在交通擁堵的城市，停車怠速時間超過總行駛時間的30%以上；制動能量回收：在頻繁加減速的城市行駛工況下，制動消耗的能量會占到車輛行駛能量消耗的50%；減小發(fā)動機(jī)排量：傳統(tǒng)汽車為滿足加速性和最大車速要求，內(nèi)燃機(jī)的峰值功率約為車輛巡航所需功率的3-5倍；優(yōu)化發(fā)動機(jī)：傳統(tǒng)汽車內(nèi)燃機(jī)必須滿足很大的速度和負(fù)載范圍的油耗與排放要求（如乘用車15工況標(biāo)準(zhǔn)）?；旌蟿恿ζ嚨闹饕愋?1)微混合，也稱“啟停（Start-Stop)”式;在交通擁堵的城市，可實現(xiàn)節(jié)油率5-10%;優(yōu)點是汽車結(jié)構(gòu)改變很小，成本增加很少，易于實現(xiàn)；主要缺點是：當(dāng)停車需要空調(diào)時，不起作用；奇瑞公司的“啟停式”轎車已投放市場?；旌蟿恿ζ嚨闹饕愋?2)輕混合，平時主要使用內(nèi)燃機(jī)動力，電池電機(jī)在汽車加速爬坡時提供輔助動力，同時具有制動能量回收和“啟?！惫δ?；發(fā)動機(jī)排量可減少10-20%，電機(jī)的功率約為內(nèi)燃機(jī)的10%，節(jié)油率可達(dá)到10-15%；技術(shù)難度相對小，成本增加不很多；長安公司的ISG電機(jī)混合動力汽車將投放市場。混合動力汽車的主要類型(3)重混合，電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)可以獨立或聯(lián)合驅(qū)動車輛，低速起步、倒車和低速行駛時可以純電動驅(qū)動，同時具有制動能量回收和“啟?！惫δ?；電機(jī)的功率約為內(nèi)燃機(jī)的50%，節(jié)油率可達(dá)到30-50%；技術(shù)難度較大，成本增加多；典型的例子是豐田的Pruis。混合動力汽車的主要類型(4)可充電混合動力（Plug-in），可以利用電網(wǎng)的電力進(jìn)行充電，實現(xiàn)較長距離的純電動行駛，同時具有制動能量回收功能；電機(jī)的功率接近內(nèi)燃機(jī)，電池容量考慮純電動行駛里程來選定，節(jié)油率（不計電能）最大可達(dá)到100%；成本增加，與增加的動力電池容量相關(guān)；普遍認(rèn)為是未來混合動力汽車的主要方向；比亞迪公司開發(fā)的“雙模式”混合動力轎車已經(jīng)少量下線。電動汽車關(guān)鍵零部件—

電機(jī)自主開發(fā)的永磁無刷電機(jī)、交流異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)實現(xiàn)了整車小批量配套能力轎車用永磁電機(jī)比功率超過1300w/kg，電機(jī)系統(tǒng)最高效率達(dá)93％以上，功率覆蓋200kW以下民用電動車輛范圍90kW車用永磁驅(qū)動電機(jī)技術(shù)指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平：系統(tǒng)功率密度≥1.36kW/kg、電機(jī)峰值效率≥97%、高效區(qū)（系統(tǒng)效率≥80%）≥70%電動汽車關(guān)鍵零部件—

燃料電池燃料電池可靠性、壽命等方面取得較大進(jìn)展，經(jīng)受住奧運示范等一系列國際示范應(yīng)用活動的考驗

低壓燃料電池電堆動態(tài)壽命提升燃料電池發(fā)動機(jī)輸出功率大幅提升整機(jī)運行的可靠性、耐久性和低溫啟動性能，以及環(huán)境適應(yīng)性有較大提高我國已成為世界上少數(shù)幾個掌握車用百千瓦級燃料電池發(fā)動機(jī)研發(fā)、制造以及測試技術(shù)的國家之一我國發(fā)展電動汽車的有利條件和比較優(yōu)勢

巨大的多元化市場鋰離子動力電池價格為3-4元/Wh，遠(yuǎn)低于歐美日（約14元/Wh）稀土永磁電機(jī)價格約為目前國際價格的60%15324政策向好，體制優(yōu)勢電力盈余，削峰填谷產(chǎn)業(yè)雄厚，資源豐富市場需求巨大，成本優(yōu)勢明顯設(shè)施后發(fā)優(yōu)勢，運營模式靈活電動汽車發(fā)展的宏觀政策導(dǎo)向基本形成集中力量辦大事的社會主義經(jīng)濟(jì)體制僅通過提高現(xiàn)有火電裝機(jī)的利用小時數(shù)即可滿足30年推算供給。充電過程諧波可解決，還可對電網(wǎng)起到“削峰填谷”作用電動自行車、摩托車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，保有量超過5000萬輛，世界最大生產(chǎn)國。鋰資源儲量380多萬噸，世界第二位稀土資源儲量6588萬噸，世界最大的輕型電動車生產(chǎn)國和市場城市化建設(shè)發(fā)展空間巨大多種靈活的充電運行模式消費者調(diào)查結(jié)果：在3400名被訪的普通消費者中接近70%