学习情境四燃料电池汽车
单元一燃料电池汽车基础知识
一、告知
学习目标
理解燃料电池汽车的基本概念，熟悉燃料电池的工作原理；
了解燃料电池的类型；
了解燃料电池汽车的优缺点。
二、引入
引入问题1：什么是燃料电池汽车？
引入问题2：燃料电池汽车的优点？缺点？
引入问题3：燃料电池的基本原理？
引入问题4：燃料电池的类型？
引入问题5：燃料电池的工作原理？
三、操练
分组观察燃料电池、蓄电池、干电池，讨论不同类型电池的区别。
四、深化
深化讲解问题1：什么是燃料电池汽车？
燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。
其核心部件是燃料电池，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。
燃料电池电动汽车实质上是电动汽车的一种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电
动汽车与普通电动汽车基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。
深化讲解问题2：燃料电池汽车有哪些优缺点？
与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：
1）燃料电池的能量转换效率极高。
2）零排放或近似零排放。
3）车辆性能接近内燃机汽车。
4）结构简单、运行平稳。
虽然氢燃料电池汽车在环保方面有很大的优势，但是它还处于发展的初级阶段。如限制其发展的主要因素有：
1）生产成本高
目前，不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢，还有碳水化合物经过重整后转换的氢是燃料电池的唯一燃料。氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整，都比较复杂，对安全性要求很高。燃料
电池的燃料的生产、运输、储存等成本较高。
2）使用配套不足
由于氢燃料的生产、储存、运输等都存在一定的安全隐患，因此加氢站等基础网络设施建设相对落后，这制约着燃料电池汽车的推广。
3）需要配备辅助电池系统
燃料电池可以持续发电，但不能充电和回收再生制动的反馈能量。通常在燃料电池汽车上须增加辅助电池，来储存燃料电池富裕的电能和在燃料电池汽车减速时接受再生制动时的能量。
深化讲解问题3：燃料电池的基本原理？
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。
燃料电池的基本组成有：电极、电解质、燃料和催化剂。二个电极被一个位于它们之间的、携带有充电电荷的固态或液态电解质分开。在电极上，催化剂，常用来加速电化学反应。
深化讲解问题4：燃料电池有哪些类型？
根据不同分类形式，燃料电池可分为多种：
1  按电解质类型分类
常分为：碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固体氧化物燃料电池（Soli
d Oxide Fuel Cell，SOFC）、质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane，PEMFC）以及甲醇燃料电池等。
天然气汽车有哪些2  按燃料电池发展分类
把磷酸燃料电池称为第一代燃料电池，把熔融碳酸盐燃料电池称为第二代燃料电池，把固体氧化物燃料电池称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。
3  按燃料电池工作温度分类
把碱性燃料电池、固体高分子型质子膜燃料电池和磷酸型燃料电池称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型燃料电池和固体氧化型燃料电池称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。
深化讲解问题5：各种燃料电池工作原理
1 质子交换膜燃料电池
质子交换膜燃料电池的关键材料与部件为：①电催化剂；②电极（阴极与阳极）；③质子交换膜；④双极板。基本构成为：电池本体、辅助系统（包括燃料及氧化剂的循环回路，湿度、温度及压力的监
控，产物水的输出及热交换装置等）和燃料及氧化剂的储存（或制造）系统。在实际应用中，还有电池的安全系统和功率调节系统。
2 碱性燃料电池
碱性燃料电池是该技术发展最快的一种电池，其结构基本与质子交换膜燃料电池相似，但其使用的电解质为水溶液或稳定的氢氧化钾基质。
碱性燃料电池的工作温度大约。因此起动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十来倍，在汽车中使用显得笨拙。不过，它们是燃料电池中生产成本最低的，因此可用于小型的固定发电装置。
3 磷酸燃料电池
磷酸燃料电池采用的是100%磷酸电解质，其常温下是固体，相变温度是42℃。氢气燃料被加入到阳极，在催化剂作用下被氧化成为质子。氢质子和水结合成水合质子，同时释放出两个自由电子。电子向阴极运动，而水合质子通过磷酸电解质向阴极移动，如下图所示。因此，在阴极上，电子、水合质子和氧气在催化剂的作用下生成水分子。
磷酸燃料电池的效率比其它燃料电池低，约为，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。优点是构
造简单，稳定，电解质挥发度低等。磷酸燃料电池可用作公共汽车的动力。
4 熔融碳酸盐燃料电池
熔融碳酸盐燃料电池与上述讨论的燃料电池差异较大，这种电池使用“溶化的锂钾碳酸盐”或者“溶化的锂钠碳酸盐”作为电解质。当温度加热到650℃时，这种盐就会溶化，产生碳酸根离子，从阴极流向阳极，与氢结合生成水，二氧化碳和电子。电子然后通过外部回路返回到阴极，在这过程中发电。
这种电池工作的高温能在内部重整诸如天然气和石油的碳氢化合物，在燃料电池结构内生成氢。且白金催化剂可用廉价的一类镍金属代替，其产生的多余热量还可被联合热电厂利用。这种燃料电池的效率最高可达60%。
5 固态氧化物燃料电池
固态氧化物燃料电池工作温度比溶化的碳酸盐燃料电池的温度还要高，其工作温度位于之间。在这种燃料电池中，当氧阳离子从阴极移动到阳极氧化燃料气体（主要是氢和一氧化碳的混合物）时便产生能量。阳极生成的电子通过外部电路移动返回到阴极上，减少进入的氧，从而完成循环。
固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它们使用固态的电解质，这种电池比溶化的碳酸盐燃料电池更稳定。固态氧化物燃料电池的效率约为60%左右，具有为车
辆提供备用动力的潜力。
6 甲醇燃料电池
甲醇作为替代氢的燃料，被应用于燃料电池中。原因在于：甲醇是一种液态燃料，易于存储、分配与运输；甲醇也是最单一的有机燃料，可以从丰富的矿物燃料中获取，可实现大规模生产。
相比其它燃料电池，甲醇燃料电池技术相对不够成熟，就当前的技术而言，甲醇燃料电池功率密度较低、功率响应慢，且效率也较低，距离大规模应用还有一段距离。
根据燃料电池的发展，质子交换膜燃料电池被认为最适合作为电动汽车采用的燃料电池。
五、归纳
1.燃料电池汽车的概念？
燃料电池汽车是指以氢气、甲醇等为燃料，通过化学反应产生电流，依靠电机驱动的汽车。
2. 燃料电池汽车的优缺点？
优点：能量转换效率高；零排放；结构简单、运行平稳；
缺点：生产成本高；配套不足；需配备辅助电池系统。
3. 燃料电池的基本原理？
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。
4. 燃料电池的类型？
碱性燃料电池、酸性燃料电池、低温燃料电池、高温燃料电池
六、训练
分组观察燃料电池、蓄电池、干电池，进一步明确不同类型电池的优缺点。
七、总结
燃料电池汽车的概念、优缺点、基本原理、类型。