1.2 燃料電池汽車動力系統中的電能來源

1.2.1 燃料電池的原理及其能量轉換

PEMFC采用固體電解質，具備更好的穩定性，生成物為純水，不存在化學腐蝕問題，電流密度高，響應速度快，使用壽命長，工作溫度適中，溫升比較快，適合車載快速啟停工況。以上眾多優點，決定了其成為車輛燃料電池應用的主流選擇。PEMFC在低負載情況下可以獲得更高的效率，尤其適合在車載工況下使用，且使用純氫作為燃料的發電系統在冷啟動、系統結構以及效率方面比直接使用甲醇和帶重整器的質子交換膜燃料電池具有更大的優越性。因此，事實上，現階段在民用車輛上應用的燃料電池汽車動力系統絕大多數都選擇以純氫作為燃料的質子交換膜燃料電池，而本書將只對這種類型的燃料電池發電及其動力系統進行介紹，如果沒有特別說明，后文中提到的燃料電池均特指這種類型。

如圖1-15所示，燃料電池單體是由兩個電極夾著電解質的“三明治”結構。質子交換膜的特性是可以通過質子，而電子不能通過，因此，一定壓力的氫氣通過極板上的流場供應到陽極，然后經陽極通過氣體擴散層（Gas Diffusion Layer，GDL）到達催化層（Catalyst Layer，CL），在催化劑的作用下，發生如下的電極反應：

反應產生的電子經外電路到達陰極，氫離子則穿過質子交換膜到達陰極，在陰極，氧氣和氫離子在催化劑的作用下反應生成水和熱量：

將兩個半反應合成，完整的燃料電池反應過程可以表述為

圖1-15 質子交換膜燃料電池工作原理

通過上述反應，燃料和氧化劑被消耗，燃料電池將燃料（還原劑，如氫氣）和氧化劑（如氧氣）的化學能轉化為電能（Ee），同時生成熱能（Heat）和水，生成的水通過電極流場隨反應的尾氣排出，水的形態既有液態，也有氣態。

在標準狀況下，按照熱力學理論計算，在近似于零的電流下，燃料電池的理論最高效率為83%，但在實際使用過程中，受電流作用下燃料電池的極化過程影響，電堆的實際效率大大降低，再加上燃料電池支持系統的損耗，燃料電池發電系統效率與理論值相去甚遠，現階段，系統在額定狀態下的效率一般在50%左右。