燃料电池基本原理和电动汽车基础..

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!!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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。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，中国2.2吨），4.5亿辆车需要4.5吨燃油。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0500010000150002000025000300002010年2015年2020年2025年2030年货车客车轿车年份汽油消耗量柴油消耗量燃油总消耗量2010784481331597720129087933418421201510801112772207920201539215146305381.422.253.24.5570.0%61.5%54.9%44.4%20052010F2015F2020F进口依存度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。２００６年全国监测的５５９个城市中，空气质量达到三级标准的城市占２８．５％、劣于三级标准的城市占９．１％。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(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。