【正文】 小 結(jié)：概述本節(jié)作 業(yè)：課后習(xí)題47 / 47。我國對飛輪電池技術(shù)的研究剛剛起步，電動汽車用飛輪電池還處于理論論證以及模仿國外產(chǎn)品的階段。其加速性能從零到96 km／h僅需6．5 s。即使萬一高速下破裂，飛輪立即轉(zhuǎn)變?yōu)槊扌鯛罱Y(jié)構(gòu)，且飛輪外有金屬外殼，對車內(nèi)成員不構(gòu)成威脅。1987年德國首次開發(fā)出車載內(nèi)燃機一飛輪電池混合動力電動汽車，飛輪吸收汽車制動時百分之90的能量，并在需要短時加速時釋放出來以補充內(nèi)燃機的功率要求，可以使內(nèi)燃機工作在最佳的工況下，既節(jié)能又提高了機器壽命。 (7)對環(huán)境無危害：無任何有毒材料，對環(huán)境幾乎無污染。P135表35 3中典型儲能電池的性能可以看出飛輪電池兼顧了化學(xué)電池、燃料電池和超導(dǎo)電池等儲能裝置的諸多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：電力電子變換器通常是由場效應(yīng)晶體管和絕緣柵極場效應(yīng)晶體管組成的雙向逆變器，它們決定了飛輪裝置能量輸入輸出量的大小。它主要由飛輪、軸、軸承、電機、真空容器和電力電子變換器等部件組成。 1．飛輪電池的結(jié)構(gòu)與原理（1）結(jié)構(gòu)飛輪電池系統(tǒng)由飛輪、電動機、發(fā)電機和輸入/輸出電子裝置共同組成。飛輪電池正是以其動能轉(zhuǎn)換成電 能的。小 結(jié)：概述本節(jié)作 業(yè)：課后習(xí)題課 題： 飛輪電池教學(xué)目的：了解飛輪電池的結(jié)構(gòu)原理和特點教學(xué)重點：飛輪電池的結(jié)構(gòu)原理和特點教學(xué)難點：飛輪電池的結(jié)構(gòu)原理和特點類 型：新授課教學(xué)方法：講練結(jié)合課 時：1引 入：飛輪電池是20世紀(jì)90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池 的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。(4) 高自放電。(3) 低電壓。(2) 低能量密度。超級電容自身也存在一定的缺點：(1) 線性放電。(6) 綠色環(huán)保。(5) 簡單方便。(4) 工作溫度范圍寬。(3) 充電速度快。(2) 循環(huán)壽命長。3．超級電容器的特點超級電容器具有以下優(yōu)點：(1) 高功率密度。(3) 按照電極材料分類以活性碳粉末、活性碳纖維、碳?xì)饽z、納米碳管、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)活性碳為電極材料的超級電容；以貴金屬二氧化釕、氧化鎳、氧化錳為電極材料的超級電容；以聚泌咯、聚苯胺、聚對苯等聚合有機物為電極的超級電容。(1) 按照儲能原理分類因電荷分離而產(chǎn)生的雙電層電容器，欠電位沉積或吸附電容而產(chǎn)生的法拉第準(zhǔn)電容器，還有雙電層與準(zhǔn)電容混合型電容器。 P31圖是電動汽車用48V165F超級電容器外觀圖。因此性能是穩(wěn)定的，與利用化學(xué)反應(yīng)的蓄電池是不同的。由于隨著超級電容器放電 ，正、負(fù)極板上的電荷被外電路泄放，電解液的界面上的電荷相應(yīng)減少。電荷之間極短間隙排列在相反的位置上，這個電荷分布層叫做雙電層，因此電容量非常大。（2）原理超級電容器是利用雙電層原理的電容器。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(dǎo)電聚合物電極材料，要求電極內(nèi)阻小、導(dǎo)電率高、表面積大、盡量?。浑娊赓|(zhì)需有較高導(dǎo)電性(內(nèi)阻小)和足夠電化學(xué)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(dǎo)電性能良好的金屬和石墨等來充當(dāng)，如泡沫鎳、鎳網(wǎng)(箔)、鋁箔、鈦網(wǎng)(箔)以及碳纖維等；隔離膜防止超級電容相鄰兩電極短路，保證接觸電阻較小，盡量薄，通常使用多孔隔膜。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(xué)元件，在電極與電解液接觸面間具有極高的比電容和非常大的接觸表面積，但其儲能的過程并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且這種儲能過程是可逆的，因此超級電容器可反復(fù)充放電數(shù)十萬次。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。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。當(dāng)許多個電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣了。(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)換的基本裝置就是太陽能電池。前一個過程是光—熱轉(zhuǎn)換過程。，一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式。 太陽光照在半導(dǎo)體pn結(jié)上，形成新的空穴電子對，在pn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。經(jīng)由光照在界面層發(fā)作的電子空穴對越多，電流越大。此時可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。電子向帶正電的N區(qū)和空穴向帶負(fù)電的P區(qū)運動。 一、太陽電池的分類①硅系列太陽電池②化合物系列太陽電池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(xué)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P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。 目前，太陽能電池的應(yīng)用已從軍事領(lǐng)域、航天領(lǐng)域進入工業(yè)、商業(yè)、 農(nóng)業(yè)、通信、家用電器以及公用設(shè)施等部門，尤其可以分散地在邊遠(yuǎn)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。小 結(jié)：概述本節(jié)作 業(yè)：課后習(xí)題課 題： 太陽電池教學(xué)目的：了解太陽電池的發(fā)電原理和特點教學(xué)重點：太陽電池的發(fā)電原理和特點教學(xué)難點：太陽電池的發(fā)電原理和特點類 型：新授課教學(xué)方法：講練結(jié)合課 時：1引 入： 太陽能電池是利用太陽光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內(nèi)的任何氣體，是對環(huán)境 無污染的可再生能源。燃料電池中生成的水再送回到以太陽能為動力的電解池中，在那兒分解成氫和氧組分，然后這種組分再送回到燃料電池。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。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。由于微生物燃料電池并非一個熱機系統(tǒng)，避免了卡諾循環(huán)的熱力學(xué)限制，因此，理論上微生物燃料電池是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茏钣行У难b置，最大效率有可能接近100%。微生物燃料電池本質(zhì)上是收獲微生物代謝過程中生產(chǎn)的電子并引導(dǎo)電子產(chǎn)生電流的系統(tǒng)。十一、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。2. 直接甲醇燃料電池的特點DMFC的突出特點為：(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。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(yù)先重整。甲醇在陽極轉(zhuǎn)換成二氧化碳，質(zhì)子和電子，如同標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)子交換膜燃料電池一樣，質(zhì)子透過質(zhì)子交換膜在陰極與氧反應(yīng)，電子通過外電路到達(dá)陰極，并做功。（1） 結(jié)構(gòu)DMFC主要由陽極、固體電解質(zhì)膜和陰極構(gòu)成。十、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。(8) 陶瓷電解質(zhì)要求中、高溫運行(600～1000℃)，加快了電池的反應(yīng)進行，還可以實現(xiàn)多種碳?xì)淙剂蠚怏w的內(nèi)部還原，簡化了設(shè)備。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。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(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化成電能的全固態(tài)化學(xué)發(fā)電裝置。隔板位于燃料電池單元的上部和下部，并和負(fù)載設(shè)備相連，從而構(gòu)成了包括電子傳輸和離子移動在內(nèi)的完整的回路。氧化劑中的O2和CO2在陰極與電子進行氧化反應(yīng)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)生反應(yīng)，生成了COH2O和電子。單體的上下為隔板/電流采集板，中間部分是電解質(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還原過程。八、1．熔融碳酸鹽燃料電池的結(jié)構(gòu)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)是由多孔陶瓷陰極、多孔陶瓷電解質(zhì)隔膜、多孔金屬陽極、金屬極板構(gòu)成的燃料電池。PAEC可用作公共汽車的動力，而且有許多這樣的系統(tǒng)正在運行，不過這種電池很難用在轎車上。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。當(dāng)以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑時，在電池內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。1．磷酸燃料電池的結(jié)構(gòu)PAEC的電池片由基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)造的空氣極構(gòu)成。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80℃，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倍；(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)成本最低的一種電池；(5) 是技術(shù)發(fā)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，具有一定的發(fā)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毒化所采用的一些方法，如使用循環(huán)電解液，吸收CO2等增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。燃料電池將會成為繼蒸汽機和內(nèi)燃機之后的第三代動力系統(tǒng)。世界各大汽車集團競相投入巨資，研究開發(fā)電動汽車和代用燃料汽車。這種電池需要純凈的氫。因為膜材料和催化劑均十分昂貴。氫氣的生產(chǎn)、儲存、運輸和使用等技術(shù)目前均已非常成熟、安全、可靠。(6) 氫來源廣泛。內(nèi)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。無機械運動部件，僅有氣體和水流動。沒有污染物排放，是環(huán)保型能源。不通過熱機過程，不受卡諾循環(huán)的限制。常用石墨雙極板厚度約2～，經(jīng)銑床加工成具有一定形狀的導(dǎo)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)。MEA是將兩張噴涂有Nafion溶液及Pt催化劑的碳纖維紙電極分別置于經(jīng)預(yù)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。電堆工作時，氫氣和氧氣分別由進口引入，經(jīng)電堆氣體主通道分配至各單電池的雙極板，經(jīng)雙極板導(dǎo)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(xué)反應(yīng)。將雙極板與膜電極三合一組件(MEA)交替疊合，各單體之間嵌入密封件，經(jīng)前、后端板壓緊后用螺桿緊固拴牢，即構(gòu)成質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，如附圖所示。將多個單電池層疊組合就能構(gòu)成輸出電壓滿足實際負(fù)載需要的燃料電池堆(簡稱電堆)。以陽極為參考時。由于質(zhì)子交換膜只能傳導(dǎo)質(zhì)子，因此氫質(zhì)子可直接穿過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，而電子只能通過外電路才能到達(dá)陰極。工作時相當(dāng)于一直流電源，其陽極即電源負(fù)極，陰極為電源正極。質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，英文簡稱PEMFC)是一種燃料電池，在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置。1. 質(zhì)子交換膜燃料電池的基本結(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（4） 膜電極（5） 極流板與流場2．質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理PEMFC在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”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，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)。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。采用熱等離子技術(shù)，反應(yīng)氣體溫度高，熱損大且不易控制。一般等離子重整器在中小型制氫系統(tǒng)上經(jīng)濟效益比較明顯，因為等離子的能量密度很高，使得重整器結(jié)構(gòu)緊湊、起動快、動態(tài)響應(yīng)快，基本不需要催化劑，而且它對燃料的適應(yīng)性很強，除輕質(zhì)烴外，各種重質(zhì)烴、重油、生物質(zhì)燃料甚至垃圾燃料都可用。 (4) 等離子體重整。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，制造成本低，對燃料的要求也降低，可使用醇類和重?zé)N類的液體燃料；相對于部分氧化重整來說，自動供熱重整由于氧化反應(yīng)放出的熱量直接被吸熱的蒸汽重整反應(yīng)吸收，所以系統(tǒng)的效率也提高了。③自動供熱重整。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)，又常因催化劑表面的局部高溫而損傷催化劑，在反應(yīng)過程中的穩(wěn)定性也是一大難題。部分氧化重整將燃料與氧相結(jié)合制氫，并生成一氧化碳。如果在擴大催化劑的使用范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。熱交換型重整器外形尺寸大大減小，工作條件降低(700℃，)，制造成本下降，且隨負(fù)荷變化性能較好，目前已成功應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)中。蒸汽重整器的發(fā)展經(jīng)歷了常規(guī)型、熱交換型