1、燃料電池及燃料電池電動車內(nèi) 容 提 要燃料電池(Fuel Cell)的基本原理及組成燃料電池的分類質(zhì)子交換膜燃料電池的特點及研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀燃料電池的發(fā)展趨勢燃料電池汽車基本結(jié)構(gòu)及特點燃料電池汽車的研發(fā)進(jìn)展1.1燃料電池(Fuel Cell) 的基本原理 燃料電池通過氧與氫結(jié)合成水的簡單電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電。燃料電池的基本組成有：電極、電解質(zhì)、燃料和催化劑。二個電極被一個位于這它們之間的、攜帶有充電電荷的固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)分開。在電極上，催化劑，例如白金，常用來加速電化學(xué)反應(yīng)。 下圖為燃料電池基本原理示意圖。 燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等，氧化劑一般是氧氣或空氣，電解質(zhì)可為水溶液（H2SO

2、4、H3PO4、NaOH等）、熔融鹽（NaCO3、K2CO3）、固體聚合物、固體氧化物等。 發(fā)電時，燃料和氧化劑由電池外部分別供給電池的陽極和陰極，陽極發(fā)生燃料的氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生氧化劑的還原反應(yīng)，電解質(zhì)將兩電極隔開，導(dǎo)電離子在電解質(zhì)內(nèi)移動，電子通過外電路做功并構(gòu)成電的回路。與普通電池不同的是，只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。 它的燃料和氧化劑不是儲存在電池內(nèi)，而是儲存在電池外的儲罐中。當(dāng)電池發(fā)電時，要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，排出反應(yīng)產(chǎn)物，同時也要排除一定的廢熱，以維持電池工作溫度的恒定。FC本身只決定輸出功率的大小，其儲存能量則由儲存在儲罐內(nèi)的燃料

3、與氧化劑的量決定。 1.2燃料電池系統(tǒng)組成 單獨的燃料電池堆是不能發(fā)電并用于汽車的，它必需和燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)和一個能使上述各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)組成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，簡稱燃料電池系統(tǒng)。1 燃料電池組2輔助裝置和關(guān)鍵設(shè)備： (1)燃料和燃料儲存器（包括碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化的重整器）(2)氧化劑和氧化劑存儲器(3)供給管道系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)（包括氣體輸送泵、熱交換器、氣體分離和凈化裝置）(4)水和熱管理系統(tǒng)2燃料電池的分類 燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的性質(zhì)而分為不同的類型，每類燃料電池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的應(yīng)用。按電解質(zhì)劃分，燃料電池大致上可分為五類： 1質(zhì)子交

4、換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell-PEMFC） 2堿性燃料電池（alkaline fuel cell-AFC） 3磷酸燃料電池（phosphoric acid fuel cell-PAFC） 4溶化的碳酸鹽燃料電池 (molten carbonate fuel cell-MCFC) 5固態(tài)氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell-SOFC）2.1質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell-PEMFC） 質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵材料與部件為：1)電催化劑；2)電極（陰極與陽極）；3）

5、質(zhì)子交換膜；4）雙極板。 工作時，氫在陽極被轉(zhuǎn)變成氫離子的同時釋放出電子，電子通過外電路回到電池陰極，與此同時，氫離子則通過電池內(nèi)部高分子膜電解質(zhì)到達(dá)陰極。在陰極，氧氣轉(zhuǎn)變?yōu)檠踉樱踉拥玫綇年枠O傳過來的電子變成氧離子，和氫離子結(jié)合生成水。右圖是質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理示意圖在電極上的這些反應(yīng)如下：陽極：陰極：整體： 質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約為80。在這樣的低溫下，電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢進(jìn)行，通常用每個電極上的一層薄的白金進(jìn)行催化。每個電池能產(chǎn)生約0.7伏的電，足夠供一個照明燈泡使用。驅(qū)動一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個單個的電池串聯(lián)起來便可形成人們稱做的燃

6、料電池存儲器。22H4H4e22O4H4e2H O2222HO2H O500kw質(zhì)子交換膜燃料電池2.2堿性燃料電池（alkaline fuel cell-AFC） 堿性燃料電池是該技術(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(jī)提供動力和飲用水。 堿性燃料電池的設(shè)計基本與質(zhì)子交換膜燃料電池相似，但其使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)。電化學(xué)反應(yīng)： 陽極反應(yīng)： 陰極反應(yīng)： 堿性燃料電池的工作溫度大約80。因此啟動也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得笨拙。不過，它們是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。22H4OH4H O4e2

7、2O2H O4e4OH2.3磷酸燃料電池（phosphoric acid fuel cell-PAFC） 磷酸燃料電池是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料電池。使用液體磷酸為電解質(zhì)。磷酸燃料電池的工作溫度要位于150 - 200左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應(yīng)。由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極的速度快。且較高的工作溫度也使其對雜質(zhì)的耐受性較強(qiáng)。 磷酸燃料電池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。優(yōu)點是構(gòu)造簡單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動力。2.4溶化的碳酸鹽燃料電池 (molten car

8、bonate fuel cell-MCFC) 溶化的碳酸鹽燃料電池與上述討論的燃料電池差異較大，這種電池不是使用溶化的鋰鉀碳酸鹽就是使用鋰鈉碳酸鹽作為電解質(zhì)。當(dāng)溫度加熱到650時，這種鹽就會溶化，產(chǎn)生碳酸根離子，從陰極流向陽極，與氫結(jié)合生成水，二氧化碳和電子。電子然后通過外部回路返回到陰極，在這過程中發(fā)電。 陽極反應(yīng)： 陰極反應(yīng)： 這種電池工作的高溫能在內(nèi)部重整諸如天然氣和石油的碳?xì)浠衔?，在燃料電池結(jié)構(gòu)內(nèi)生成氫。且白金催化劑可用廉價的一類鎳金屬代替，其產(chǎn)生的多余熱量還可被聯(lián)合熱電廠利用。這種燃料電池的效率最高可達(dá)60%。 這種電池需要較長的時間方能達(dá)到工作溫度，因此不能用于交通運輸。2322

9、2COHH OCO2e22232COO4e2CO2.5固態(tài)氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell-SOFC） 固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，其工作溫度位于800-1000之間。在這種燃料電池中，當(dāng)氧陽向離子從陰極移動到陽極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）使便產(chǎn)生能量。陽極生成的電子通過外部電路移動返回到陰極上，減少進(jìn)入的氧，從而完成循環(huán)。 陽極反應(yīng)： 陰極反應(yīng): 固態(tài)氧化物燃料電池對目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它們使用固態(tài)的電解質(zhì)，這種電池比溶化的碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定。固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為60%左右，具

10、有為車輛提供備用動力的潛力。222HOH O2e22COOCO2e22O4e2O3質(zhì)子交換膜燃料電池的特點及研發(fā)現(xiàn)狀 燃料電池種類較多，PEMFC 以其工作溫度低、啟動快、能量密度高、壽命長、重量輕、無腐蝕性、不受二氧化碳的影響，能量來源比較廣泛等優(yōu)點特別適宜作為便攜式電源、機(jī)動車電源和中、小型發(fā)電系統(tǒng)。 由于膜的結(jié)構(gòu)、工藝和生產(chǎn)批量等問題的存在，到目前為止，質(zhì)子交換膜的成本是非常高的，約為每平米600美元。其中膜的成本占20%30%。因此降低膜的成本迫在眉睫。據(jù)研究計劃報道，其第三代質(zhì)子交換膜BAM3G，價格將為每平米50美元。4燃料電池的現(xiàn)狀 目前，使用燃料電池面臨的主要問題： 1 燃料問

11、題 氧氣可以直接從空氣中獲得，比較省力；氫氣則需要消耗電能以電解水或在催化劑的作用下重組碳?xì)浠衔镞@兩種方法獲取。但也有人認(rèn)為氫可以從天然氣中產(chǎn)生，其成本同生產(chǎn)汽油相當(dāng)。如將燃料電池高效率因素考慮進(jìn)來，使用氫將比汽油更加經(jīng)濟(jì)。 2 安全問題 氫氣是易燃?xì)怏w，使用時要防止泄露，爆炸等危險情況的發(fā)生。 阻礙燃料電池推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題還有成本高、壽命短、體積大等，歸根結(jié)底還是技術(shù)問題。 5燃料電池汽車（FCEV-Fuel Cell Electric Vehicle)的基本結(jié)構(gòu) 燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供動力的電力車輛。燃料電池把氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成電能，它所產(chǎn)生的副產(chǎn)品只有水和熱。它摒棄了復(fù)雜的

12、變速箱等動力傳動裝置，4臺由燃料電池驅(qū)動的電機(jī)直接同車輪相連推動汽車行走。燃料電池車的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示。 5.1燃料電池汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 燃料電池汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有四種結(jié)構(gòu): (1)純?nèi)剂想姵?PFC) PFC只有燃料電池一個能量源。這種結(jié)構(gòu)中燃料電池的額定功率大，成本高，對冷起動時間、耐起動循環(huán)次數(shù)、負(fù)荷變化的響應(yīng)等提出了很高的要求。 (2)燃料電池和輔助電池聯(lián)合驅(qū)動(FCB) FCB有燃料電池和輔助動力裝置(蓄電池或超級電容)兩個動力源。通常燃料電池系統(tǒng)輸出車輛常規(guī)速度行駛時所需的平均功率，而輔助動力裝置用來提供峰值功率以補充車輛在加速或爬坡時燃料電池輸出功率能力的不足。這樣動力

13、系統(tǒng)的動力性增強(qiáng)，運行狀態(tài)比較穩(wěn)定，因而它的總體運行效率得到提高。 (3)燃料電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動(FCC)、 (4)燃料電池加輔助電池加超級電容聯(lián)合驅(qū)動(FCBC) 。 燃料電池混合動力(FCB)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 根據(jù)這一連接形式的不同可將動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩類:直接燃料電池混合動力系統(tǒng),燃料電池與電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)之間直接相連;間接燃料電池混合動力系統(tǒng),燃料電池與電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)之間通過DC/DC變換器間接相連。 間接間接燃料燃料電池電池混合混合動力動力系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 上圖中的電力、電子裝置部分包括DC/DC變換器和電機(jī)控制器等，它們之間不同的布置方式會導(dǎo)致燃料電池和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)之間連接形式的不同。

14、直直接接燃燃料料電電池池混混合合動動力力系系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)5.2燃料電池汽車的特點1、效率高 燃料電池汽車路試時可以達(dá)到4050%的效率而普通汽車只有1016%。燃料電池汽車總效率比混合動力汽車也要高。2、環(huán)保燃料電池電動汽車僅排放熱和水高效、環(huán)境友好的清潔汽車。3、可持續(xù)發(fā)展燃料電池可節(jié)省石油。目前令全世界對石油的依存度，超過警戒線30%，預(yù)計2020年60%。5.3燃料汽車的工作過程 當(dāng)氫氣和氧化劑進(jìn)入燃料電池后，用燃料電池控制模塊對燃料電池的壓力、溫度和反應(yīng)速度以及燃料電池的負(fù)荷變化進(jìn)行控制和調(diào)節(jié),控制燃料電池正常運轉(zhuǎn)和發(fā)生故障后的應(yīng)急處理。在燃料電池運作的過程中,采用熱管理模塊和產(chǎn)出物管

15、理模塊對廢熱的使用和排放的HO、CO、CO等進(jìn)行處理，使反應(yīng)過程連續(xù)進(jìn)行。6燃料電池汽車的研發(fā)進(jìn)展 在全球溫室效應(yīng)與能源問題逐漸受到各國政府的重視下，主要國家之污染法規(guī)漸趨嚴(yán)格，因此對低污染車輛之需求勢必增加。因而汽車業(yè)界近年來一直致力于開發(fā)氫燃料電池車。其中較為領(lǐng)先的有美國通用、日本豐田和本田等。 國內(nèi)有上海的超越號，東風(fēng)的楚天一號。通用Hy-wire氫動三號 由200塊相互串聯(lián)在一起的燃料電池塊組成的電池組產(chǎn)生電力，通過68升的氫氣儲存罐向燃料電池組提供氫氣。電池組所產(chǎn)生的電能輸入電動機(jī)后，通過功率為60千瓦/82馬力三相異步電機(jī)驅(qū)動車輛行駛，并幾乎不產(chǎn)生任何噪音。一次充氣行駛里程分別可達(dá)

16、400公里和270公里。 通用Hy-wire氫動三號的電池組 通用汽車氫燃料電池車Sequel Sequel可連續(xù)行駛300英里，且能夠在10秒內(nèi)由靜止?fàn)顟B(tài)加速到60英里/小時。Sequel燃料電池系統(tǒng)內(nèi)的氫能源可以被直接轉(zhuǎn)換為電能。車輛加速時備用高壓鋰電池系統(tǒng)可向三只驅(qū)動電機(jī)提供額外動力；車輛剎車時鋰電池系統(tǒng)可以用來儲存剎車時回收的能量以提高車輛的連續(xù)行駛能力。其電氣系統(tǒng)由三個子系統(tǒng)組成，其中高壓系統(tǒng)為驅(qū)動裝置提供動力，42V系統(tǒng)為一般電氣設(shè)備供電，12V系統(tǒng)為輔助設(shè)備提供電源。 奔馳公司的燃料電池車“B-Cell”。馬達(dá)輸出功率達(dá)100kW以上。充氫壓力為70MPa，持續(xù)行駛距離大約為400km。充電電池是鋰電池，輸出功率為20kW。 同濟(jì)大學(xué)參與研制的燃料電池發(fā)動機(jī)。它能在14秒內(nèi)加速到80公里，最高時速達(dá)110公里，可連續(xù)行駛210公里。在車后行李箱內(nèi)，放置的是可充氣的氫氣瓶，燃料氫氣從這里沿管道進(jìn)入反應(yīng)器，和空氣中的氧氣結(jié)合釋放能量，提供汽