項目二常見動力電池結構及應用PART021.了解鋅空氣電池的原理及應用。2.熟悉飛輪電池的原理及應用。3.理解超級電容的結構原理與應用。4.掌握燃料電池的結構原理與應用。任務目標一、鋅空氣電池結構原理與應用（一）鋅空氣電池的結構與原理1.鋅空氣電池結構鋅空氣電池主要由正電極、負電極、電解液和隔膜等組成。其中正極是空氣電極（氧電極），負極是金屬電極（鋅電極），電解液則主要是氫氧化鈉或氫氧化鉀堿性溶液。任務4其他類型動力電池結構及應用2.鋅空氣電池工作原理鋅空氣電池以空氣中的氧作為正極活性物質，金屬鋅作為負極活性物質，多孔活性炭作為正極，鉑或其他材料作為催化劑，使用堿性電解質。氧氣經多孔電極擴散層擴散到達催化層，在催化劑微團表面的三相界面處與水發生反應，吸收電子，生成OH-，陽極的鋅與電解液中的OH-發生電化學反應，生成ZnO和H2O，并釋放出電子，電子被集成電層收集起來，在外電路中產生電流。任務4其他類型動力電池結構及應用電池工作的化學反應式如下：任務4其他類型動力電池結構及應用（二）鋅空氣電池的分類1.直接再充式鋅空氣電池直接再充式鋅空氣電池是直接對鋅空氣電池的鋅電極充電，鋅在堿性溶液中的電化學活性較大，熱力學性質不穩定，充電產物鋅酸鹽在強堿溶液中的溶解度較高，容易出現電極變形、枝晶生長、自腐蝕及鈍化等現象，從而導致電極逐漸失效。另外，空氣電極可逆性差，在大氣環境中電解液容易碳化，且電解液受空氣濕度的影響較大。當空氣相對濕度較低時，電池將損失水分，導致電解液不足，電池失效；當空氣相對濕度較高時，電解液變稀，導電率降低，還有可能淹沒氣體電極的催化層，降低電極活性，從而導致電池失效。任務4其他類型動力電池結構及應用2.機械充電式鋅空氣電池機械式充電是指在電池完全放電后，將電池中用過的鋅電極取出，換入新的鋅電極，或者更換整個電池組，整個操作過程控制在3～5min內。使用過的鋅電極或鋅空氣電池可以在專門的鋅回收利用廠進行回收再加工，實現綠色環保無污染生產。任務4其他類型動力電池結構及應用3.注入式鋅空氣電池注入式鋅空氣電池是將配制好的鋅膏源源不斷地通過擠壓或壓力輸送送入電池內，同時將反應完畢的混合物抽取到電池外，這樣在電動車輛上應用時，電池系統只需攜帶盛放鋅膏的燃料罐，燃料罐加注足夠的鋅膏燃料就可實現車輛連續行駛。任務4其他類型動力電池結構及應用（三）鋅空氣電池的特點1.鋅空氣電池的優點（1）容量大。（2）能量密度高。（3）價格低廉。（4）儲存壽命好。（5）鋅可以回收利用。（6）綠色環保。任務4其他類型動力電池結構及應用2.鋅空氣電池的不足與改進（1）電解液的干涸與吸潮。（2）電解質的碳酸化。（3）電池的密封和防漏。任務4其他類型動力電池結構及應用（四）鋅空氣電池在電動汽車上的應用1995年，以色列電燃料有限公司首次將鋅空氣電池用于EV上，使得鋅空氣電池進入了實用化階段。美國DreisbackElectromotive公司以及德國、法國、瑞典、荷蘭、芬蘭、西班牙和南非等多個國家也都在EV上積極地推廣應用鋅空氣電池。國內部分廠家已經在注入式鋅空氣電池方面開展了多年的研究工作，并且在部分電動車輛上進行了實驗性裝車測試。任務4其他類型動力電池結構及應用以色列電燃料有限公司開發的鋅空氣電池，裝在載重1000kg、總重3500kg的電動郵車上，實驗結果：能量密度達到270W·h/kg，350kg的鋅空氣電池使電動郵車行駛了300km，最高車速可達120km/h，由靜止加速到80km/h為12s，該車具有良好的動力性能。更換鋅粒匣和灌滿電解質的時間為2min。以色列設有每小時能處理10kg鋅的再生處理廠，可以供給10~15輛電動郵車更換鋅粒匣服務。美國DreisbackElectromotive公司開發的鋅空氣電池已在公共汽車和總重9t的貨車上使用，公共汽車可連續行駛10h左右，貨車最大續駛里程達113km。任務4其他類型動力電池結構及應用德國奔馳汽車公司的MB410型電動廂式車，標準總質量為4000kg，采用150kW·h的鋅空氣電池，該車從德國的不萊梅到波恩，最高車速達到120km/h，一次充電后走完全程425km的路程。瑞典斯德哥爾摩市的電動車、電動客車和電動服務車輛上，采用大的鋅空氣電池，能量密度為180W·h/kg，功率密度為100W·h/L，續駛里程為350~425km。該市的鋅空氣電池廢料回收處理能力為250kg/h，可為150輛EV提供再生的鋅粒。任務4其他類型動力電池結構及應用二、飛輪電池結構原理與應用（一）飛輪電池的結構與原理1.飛輪電池的結構飛輪電池主要由轉子（飛輪）、電動機/發電機、真空容器、磁懸浮軸承、軸、輔助軸承、電力電子裝置（電子控制電路）及輸入輸出設備和外殼等組成。任務4其他類型動力電池結構及應用2.飛輪電池的工作原理充電時，飛輪電池中的電極以電動機形式運轉，在外電源的驅動下，電極帶動飛輪高速旋轉，即用電給飛輪電池“充電”，增加了飛輪的轉速；放電時，電機則以發電機狀態運轉，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能（動能）到電能的轉換。任務4其他類型動力電池結構及應用飛輪電池儲能是基于飛輪以一定角速度旋轉時，可以存儲動能的基本原理。飛輪作為儲能的核心部件，儲能量E由下列公式決定：式中，j為飛輪的轉動慣量，與飛輪的形狀和重量有關；ω為飛輪轉動的角速度。任務4其他類型動力電池結構及應用（二）飛輪電池優點（1）能量密度高。（2）能量轉換率高。（3）工作溫度范圍寬。（4）使用壽命長。（5）低損耗、低維護。任務4其他類型動力電池結構及應用（三）飛輪電池的應用現狀1.飛輪電池的應用領域（1）交通運輸領域。（2）航空航天領域。（3）不間斷電源。任務4其他類型動力電池結構及應用2.飛輪電池在電動汽車上的應用20世紀80年代初，瑞士OerlikonEnergy公司成功研制了完全由飛輪電池供能的電動公交客車，可載客70名，在行駛過程中，需要在每個車站停車充電2min。1987年，德國開發了飛輪電池混合動力汽車，利用飛輪電池吸收90%的制動能量，并在需要短時加速等工況下輸出電能補充內燃機功率的不足。1992年，美國飛輪系統公司采用纖維復合材料制造飛輪，并開發了飛輪電池電動汽車，該車一次充電續駛里程達到600km。任務4其他類型動力電池結構及應用保時捷911GT3采用機電飛輪代替蓄電池為能源。該系統包括一臺連接有電動機/發電機的電動飛輪。飛輪最高轉速高達40000r/min。任務4其他類型動力電池結構及應用沃爾沃在賽車上應用動能回收系統采用的就是機械飛輪儲能結構，將來自車身的動能儲存在由一塊重量6kg、直徑20cm的碳纖維組成的飛輪模塊中，需要釋放時，其通過CVT變速模塊將能量傳遞至后橋直接驅動車輪。任務4其他類型動力電池結構及應用三、超級電容器結構原理與應用（一）超級電容器的結構與原理1.超級電容器組成超級電容器是由兩個彼此絕緣的平板型金屬電容板組成，在兩塊電容板之間用絕緣材料隔開。超級電容器主要由多孔電極、引出電極（集電極）、隔膜（離子滲透膜）、電解液和外殼等組成。任務4其他類型動力電池結構及應用2.超級電容器工作原理充電時，電子通過外加電源由正極流向負極，同時，正負離子從液體相中分離并分別移動到電極表面，形成雙電層；充電結束后，電極上的正負電荷與溶液中相反電荷離子相吸引而使雙電層穩定，在正負極間產生相對穩定的電位差。在放電時，電子通過負載從負極流到正極，在外電路中產生電流，正負離子從電極表面被釋放進入液體相，呈電中性。任務4其他類型動力電池結構及應用（二）超級電容器的分類1.按工作原理分類（1）雙電層型超級電容器。（2）贗電型超級電容器。2.按電解質類型分類（1）有機電解液超級電容。（2）水基電解液超級電容。①酸性電解液。②堿性電解液。③中性電解液。任務4其他類型動力電池結構及應用3.按照功能劃分與蓄電池相同，超級電容器也可分為能量型和功率型。能量型特點是比能量高，主要用于高能輸入、輸出場合；功率型特點是比功率高，主要用于瞬間高功率輸入、輸出場合。目前開發的能量型超級電容器比能量已經達到30W·h/kg，接近鉛酸電池水平，比功率達到3000W/kg，可以連續幾分鐘到幾十分鐘輸出較高強度的電流；功率型超級電容器能量密度達到6～10W·h/kg，比功率達到8000W/kg，可以輸出幾秒到幾十秒的瞬間大電流，承擔設備起動所需要的大功率電能。任務4其他類型動力電池結構及應用（三）超級電容器的特點和特性1.超級電容器特點（1）超級電容器優點。①輸出功率密度高。②極長的充放電循環壽命。③非常短的充電時間。④妥善解決了儲能設備高比功率和高比能量輸出之間的矛盾。⑤儲存壽命極長。⑥高可靠性。⑦工作溫度范圍寬。任務4其他類型動力電池結構及應用（2）超級電容器缺點。①線性放電。②低能量密度。③低電壓。④高自放電。⑤價格高。任務4其他類型動力電池結構及應用2.超級電容器特性超級電容器具有與電池不同的充放電特性，放電曲線如圖。在相同的放電電流情況下，電壓隨放電時間呈線性下降的趨勢。這種特性使超級電容器的剩余能量預測以及充放電控制相對于電池的非線性曲線簡單許多。任務4其他類型動力電池結構及應用超級電容器的容量也不同于電池，其額定容量單位為法拉（F）。定義為以規定的恒定電流（如1000F以上的超級電容器規定的充電電流為100A，200F以下的為3A）充電到額定電壓后保持2～3min，在規定的恒定電流放電條件下放電到端電壓為零所需的時間與電流的乘積再除以額定電壓值。即式中，C為超級電容額定容量；I為充電電流；t為充電時間；V為額定電壓。任務4其他類型動力電池結構及應用（四）超級電容器在電動汽車上的應用超級電容器由于具有比功率高、循環壽命長、充放電時間短等優勢，已成為理想的電動車的電源之一。Maxwell公司所開發的超級電容器在各種類型電動汽車上都得到了良好的應用。美國NASALewis研究中心研制的混合動力客車采用超級電容器作為主要的能量存儲系統。日本是將超級電容器應用于混合動力電動汽車的先驅；日產公司于2002年6月24日生產了安裝有柴油機、電動機和超級電容器的并聯混合動力貨車，此外還推出了天然氣超級電容器混合動力客車；日本富士重工推出的電動汽車已經使用了日立機電制作的鋰離子蓄電池和松下電器制作的儲能電容器的聯用裝置。任務4其他類型動力電池結構及應用國內以超級電容器為儲能系統的電動汽車的研究取得了一系列成果。2004年7月，我國首部“電容蓄能變頻驅動式無軌電車”在上海張江投入試運行，當電車停靠站時在30s內快速充電，充電后就可持續提供電能，時速可達44km/h。哈爾濱工業大學和句容集團研制的超級電容器電動公交車，可容納50名乘客，最高速度20km/h。任務4其他類型動力電池結構及應用四、燃料電池結構原理與應用（一）燃料電池的結構與原理任務4其他類型動力電池結構及應用1.質子交換膜燃料電池結構質子交換膜燃料電池是一種燃料電池，在原理上相當于水電解的“逆”裝置。質子交換膜燃料電池的單電池主要由陽極、陰極、質子交換膜、陽極催化層、陰極催化層和集流體等組成。（1）電極。（2）催化層。（3）質子交換膜。（4）集流體。任務4其他類型動力電池結構及應用2.質子交換膜燃料電池原理質子交換膜燃料電池通常采用氫氣和氧氣（或空氣）作為反應氣體。為了加快電化學反應速率，氣體擴散電極上都含有催化劑。電極催化劑包括陰極催化劑和陽極催化劑兩類。它能將儲存在燃料(H2)和氧化劑(O2)中的化學能轉變成電能，只要不斷地供給燃料和氧化劑，它就能不斷地輸出電能。任務4其他類型動力電池結構及應用任務4其他類型動力電池結構及應用（二）燃料電池的分類與特點1.燃料電池的分類（1）按照工作溫度分類，燃料電池可分為低溫、中溫和高溫三類。（2）按照燃料種類分類，燃料電池也可分為直接式燃料電池、間接式燃料電池和再生燃料電池三類。（3）按開發早晚順序來分，燃料電池可分三代。PAFC稱為第一代燃料電池，MCFC稱為第二代燃料電池，SOFC稱為第三代燃料電池。（4）按電解質類型分類，可分為如下幾類：堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池。任務4其他類型動力電池結構及應用任務4其他類型動力電池結構及應用2.燃料電池的特點（1）燃料電池的優點。①能量轉換效率高。②無環境污染。③使用壽命長。④燃料多樣。⑤比能量高。任務4其他類型動力電池結構及應用（2）燃料電池的不足。①燃料電池造價偏高。②反應/啟動性能。③碳氫燃料無法直接利用。④氫氣儲存技術。⑤氫燃料基礎建設不足。任務4其他類型動力電池結構及應用（三）燃料電池系統組成1.燃料電池電堆（1）質子交換膜。（2）雙極板。（3）膜電極組件。（4）催化劑。任務4其他類型動力電池結構及應用2.輔助子系統（1）供氫子系統。（2）供氧子系統。（3）水管理系統。（4）熱管理系統。（5）直流-交流逆變系統。（6）控制系統。（7）安全系統。任務4其他類型動力電池結構及應用（四）燃料電池應用任務4其他類型動力電池結構及應用任務4其他類型動力電池結構及應用1.氫燃料電池美國通用汽車公司宣布已經成功地解決了將其研制的氫燃料電池汽車Sequel投放市場的所有問題，這標志著這款概念車將走向市場化生產。殼牌氫氣公司與通用公司合作，于2005年初在北美華盛頓現有的一零售汽油加油站投用了第一個充氫站，采用了空氣產品和化學品公司200系列液氫充裝技術，6臺通用公司Hydrogen3燃料電池汽車已首次在此加氫。美國康涅狄格州伯靈頓市公眾部生產出一輛采用氫動力燃料電池的豐田普銳斯。豐田汽車公司開發的“FCHV3”燃料電池汽車采用氫吸附合金供氫方式，配備鎳氫電池發動機驅動系統。任務4其他類型動力電池結構及應用2.甲烷燃料電池美國科學家設計出以甲烷