2.2　燃料電池

2.2.1　燃料電池及應用概述

燃料電池實質上是電化學反應發生器，其反應機理是將燃料中的化學能不經燃燒而直接轉化為電能。氫氧燃料電池實際上就是一個電解水的逆過程，通過氫氣和氧氣的化學反應生成水并釋放電能，氫氣和氧氣分別是反應過程中的燃料及氧化劑。與普通充電電池相比，燃料電池是一個能量生成裝置，并且一直產生能量直至燃料用盡。燃料電池的優越性在于高效率地把燃料轉化為電能，工作安靜，零排放或低排放工作，產生的剩余熱量可以再利用，燃料補充迅速等。

如圖2-4所示，燃料電池通常由三部分組成，即正極（A）、負極（C）和電解質（E）。正極（燃料電極）為燃料和電解液提供了一個接觸面，在催化劑作用下發生氧化反應并輸出電子到外電路。另外，負極（氧氣電極）為氧氣和電解質提供了一個接觸面，在催化劑作用下發生還原反應并從外電路接受電子。在正極和負極之間，電解質用于傳遞燃料反應的離子，并和氧氣電極反應，而且還用于傳遞電子。

氫氣具有比任何燃料都高的單位比能量，是燃料電池理想的無污染燃料，而且燃料電池的反應生成物為純凈的水，其反應方程式為：

2H2+O22H2O

氫氣不是初級燃料，通常需要從初級燃料比如碳氫化合物（CH4～C10H22）、甲醇和煤等通過處理提取得到。主要有以下三種儲氫方法。

①采用壓縮氣體，即壓縮氫氣（CHG），與壓縮天然氣相似，CHG裝在20～34.5MPa的玻璃纖維加強的鋁瓶中。

②冷凍氫氣至-253℃以下，形成液態氫，并儲存在低溫容器中。

③使氫氣與金屬鎂和釩反應形成儲氫金屬，儲氫反應是可逆的并與分解溫度有關（最高可達300℃）。

表2-9為主要燃料的理論能量值，其中包括以不同方式儲存的氫氣、液態甲醇和液態汽油。CHG具有重量輕、成本低、技術成熟以及燃料補充迅速等優點，但體積大、存在安全問題。液態氫比能量高、燃料補充迅速，但具有生產成本和銷售成本昂貴，揮發性等缺點。雖然儲氫金屬具有尺寸緊湊、使用安全等優點，但其缺點是氫氣分離溫度高（儲氫鎂分離溫度為287℃）且比能量相對較低（儲氫釩比能量為700W·h/kg）。

①環境溫度，20MPa壓力。

②低溫環境，0.1MPa壓力。

由于燃料電池是一個多變量系統，如燃料類型、電解質類型、燃料供給方式和工作溫度等，所以燃料電池具有多種歸類方法。按照工作溫度可以分為高、中及低溫型三類。工作溫度低于100℃，稱為低溫型；工作溫度100～300℃，為中溫型；工作溫度高于300℃，為高溫型。按燃料類型分，有氫氣、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有機燃料，汽油、柴油和天然氣等氣體燃料，有機燃料和氣體燃料必須經過重整器“重整”為氫氣后，才能成為燃料電池的燃料。國內外燃料電池研究者一般按照燃料電池電解質類型進行分類，一般分為堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、質子交換膜燃料電池（PEMFC）等，其性能比較見表2-10。

2.2.2　質子交換膜燃料電池結構與原理

最近電動汽車用燃料電池的開發重點集中在質子交換膜燃料電池（PEMFC）技術上。質子交換膜燃料電池用于電動汽車具有五個明顯的優點。

①在所有類型的燃料電池中，質子交換膜燃料電池功率密度最高，對電動汽車使用來說，功率密度越高，則所使用的燃料電池的體積就會越小。

②工作溫度低，啟動迅速，適用于車輛使用。

③采用了固態電解液，不會出現電解液的變形、移動和蒸發。

④由于電池中唯一的液體為水，本質上避免了腐蝕作用。

⑤與堿性燃料電池對二氧化碳的敏感性不同，質子交換膜燃料電池對進入電池反應的空氣中的二氧化碳不敏感。

質子交換膜燃料電池的主要缺點是使用了貴金屬鉑作電極反應催化劑，因此導致成本較高，限制了其大規模推廣應用。

質子交換膜燃料電池的結構原理如圖2-5所示。電池單體主要由膜電極（正極和負極、質子交換膜）和集流板組成。具體反應步驟為，經增濕后的H2和O2分別進入正極室及負極室，經電極擴散層擴散到達催化層和質子交換膜的界面，分別在催化劑作用下發生氧化和還原反應，電化學反應方程式如下。

正極：H2 2H++2e-

負極：O2+4H++4e-2H2O

電池總反應：

正極反應生成的質子（H+）通過質子交換膜傳達到負極，正極反應產生的電子通過外電路到達負極。生成的水以水蒸氣或冷凝水的形式隨過剩的負極反應氣體從負極室排出。

質子交換膜燃料電池的核心部件包括質子交換膜、催化劑、膜電極和雙極性集流板等。

（1）質子交換膜　質子交換膜是質子交換膜燃料電池的核心部件，是一種厚度僅為50～180μm的極薄的膜片，是電極活性物質（催化劑）的基底。它的主要特點是在一定的溫度和濕度條件下，具有選擇透過性，即只允許質子透過，而不允許H2分子及其他離子透過。質子交換膜燃料電池對于質子交換膜的要求非常高，它不僅要具有良好的離子導電性能，還要同時具有適度的含水率，對電池工作過程中的氧化、還原和水解具有穩定性，具有足夠高的機械強度和結構強度，以及膜表面適合與催化劑結合等性能。質子交換膜的厚度和單位面積質量、抗拉強度、含水率、溶脹度、導電性能及選擇通過性能等對燃料電池的性能有很大的影響。

質子交換膜的類型主要有酚醛樹脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜、聚三氟（α，β，β'）苯乙烯磺酸型膜和全氟磺酸型膜。主要生產廠家有美國的杜邦公司、DOW化學公司，日本的Asahi公司、氯工程公司和加拿大的巴拉德公司等。由于膜的結構、工藝和生產批量等問題的存在，到目前為止，質子交換膜的成本還是非常高的，幾乎占了燃料電池系統總成本的20%～30%。

（2）催化劑　催化劑是質子交換膜燃料電池的另一項核心技術。質子交換膜燃料電池的正極反應為氫的氧化反應，負極為氧的還原反應。為了加快電化學反應的速率，氣體擴散電極上都含有一定量的催化劑。催化劑包括負極催化劑和正極催化劑兩類。對負極催化劑的要求是足夠的催化活性和穩定性。對正極催化劑的要求與對負極催化劑的要求類似，但是正極催化劑還應具有抗CO中毒的能力，對于使用烴類燃料重整的質子交換膜燃料電池系統，正極催化劑尤其要注意這個問題。

目前，質子交換膜燃料電池大都選用鉑（Pt）類貴金屬作催化劑。Pt對于兩個電極反應均具有催化活性，而且可以長期穩定工作，但是由于Pt價格昂貴、資源匱乏，使得質子交換膜燃料電池的成本居高不下，限制了其大規模應用。目前，主要研究重點在提高Pt的利用率，減少單位面積的使用量；其次是尋找新的、價格較低的非貴金屬催化劑。

（3）膜電極　質子交換膜與兩側的氣體擴散電極（負極和正極）復合，組成燃料電池的膜電極（MEA，membrane electrode assembly），是質子交換膜燃料電池的心臟。質子交換膜和催化劑就包含在膜電極中，除此之外，還包含負極和正極的擴散層。

MEA是質子交換膜燃料電池的核心部分，是影響其性能、能量密度分布和工作壽命的關鍵因素。組成MEA的電極材料、電極的制備工藝和方法等決定了其基本性能。另外，MEA中貴金屬（如Pt）的用量也與電極的制備方法有直接的關系。目前常采用涂膏法（pasting）、澆注法（casting）、滾壓法（rolling）和電化學催化法（ECC）等。

（4）雙極性集流板　雙極性集流板簡稱為雙極板或集流板，放置在膜電極的兩側，分別稱為正極集流板和負極集流板。除了導電外，其主要作用還包括導流燃料和氧氣以及導流冷卻水。

集流板主要有石墨集流板、金屬集流板和復合型集流板等幾種類型。集流板的設計主要考慮導電性能、密封性、氣體的分布以及水和熱的排除等。目前制作集流板的材料主要有石墨、表面改性的金屬、炭黑、聚合物合成材料等，其制造工藝已比較成熟。

2.2.3　質子交換膜燃料電池系統

由于燃料電池單體的輸出電壓和輸出功率不能滿足電動汽車的使用要求，因此必須將不同數目的燃料電池單體串聯形成燃料電池堆使用，以滿足電壓和功率的要求。另外，單獨的燃料電池堆也是不能發電并應用于電動汽車的，它還必須和燃料供給與循環系統、氧化劑供給系統、水/管理系統以及一個能使上述各系統協調工作的控制系統組成燃料電池發電系統（簡稱燃料電池系統），才能對外輸出功率。典型的質子交換膜燃料電池系統原理如圖2-6所示。

車載質子交換膜燃料電池的供氫系統可分為車載儲氫和車載制氫兩種。車載制氫是用碳氫化合物在重整器內經化學反應后生產氫的方式，由于存在安全性等問題，目前用得較少，最成熟的技術還是車載儲氫。

質子交換膜需要一定的含水量才可以傳導質子，因此燃料電池系統必須有加濕系統，保證燃料電池工作時所需的濕度條件。加濕系統的作用就是潤濕送入燃料電池堆的氫氣和空氣，同時利用燃料電池反應生成的水。

除了加濕系統外，還需要冷卻系統，利用冷卻介質在燃料電池中循環流動，吸收燃料電池產生的熱量，并維持燃料電池在最佳溫度條件下工作。從電池堆出來的冷卻介質通過熱交換器將燃料電池產生的熱量帶到環境中去。

燃料電池控制系統則根據負載對燃料電池功率的要求，或隨燃料電池工作條件（壓力、溫度、電壓等）的變化，對反應氣體的流量、壓力、加濕/冷卻系統的水流速等進行綜合控制，保證電池正常有效的運行。控制系統主要由多種功能不同的傳感器、控制閥、泵、調節控制裝置、管路、控制單元等組成。

2.2.4　質子交換膜燃料電池性能及其影響因素

影響質子交換膜燃料電池性能的主要因素包括燃料電池的工作溫度、反應物的工作壓力、氣體的流量和排氣背壓等。

（1）工作溫度　工作溫度對燃料電池的輸出特性的影響比較明顯。隨著溫度的升高，燃料電池的內阻減小。在相同電流密度條件下，隨著燃料電池工作溫度的升高，其工作電壓也會隨之增大。溫度升高加速了反應氣體向催化劑層的擴散，加速了質子從陽極向陰極的運動及生成物水的排出，這些都會對燃料電池性能的提高起到積極的作用。

（2）工作壓力　反應物的工作壓力對燃料電池堆的功率密度影響比較明顯，一般來說，工作壓力越高，功率密度越大。通常，燃料電池質子交換膜兩側的壓力是保持平衡的，這樣可以將氣體通過交換膜的擴散減小到最低程度，因為這種擴散不僅會造成燃料電池工作電壓的降低，而且擴散嚴重會導致氫氧混合氣體的爆炸。

燃料電池是靜態能量轉換裝置，基本沒有運動部件，具有效率高、無污染、過載能力強、振動噪聲小等優點。質子交換膜燃料電池堆的能量效率理論上可接近83%，實際效率已達50%～60%，是普通內燃機的2倍左右。目前來看，提高燃料電池的可靠性和環境適應性、降低系統成本、完善制氫-儲氫-加氫站基礎設施網建設仍是燃料電池汽車技術攻關的關鍵，并將直接決定著燃料電池汽車商業化的時間表。

2.2.5　燃料電池電動汽車的技術創新

燃料電池電動汽車集機、電、化學等學科于一體，運用化學原料產生的能量驅動汽車前進，目前已成為世界各國大力開發的熱點。由于燃料電池具有對環境污染少、無噪聲、可實現能量的循環利用、燃料資源充足和工作持久可靠等優點，而且不再依賴傳統的石油資源，因此燃料電池電動汽車極具發展潛力，在汽車領域的發展前景可觀。

2.2.5.1　燃料電池汽車與傳統汽車的結構差異

傳統內燃機汽車的底盤由傳動系統、行駛系統、懸架系統、轉向系統和制動系統構成，并考慮安全性的要求，加強車身結構設計。為了達到安全性和可靠性的要求，在制造過程中，因外形不同形成的各種覆蓋件只能通過焊接。這些部件的形狀不能統一，導致發動機和底盤的尺寸也不是標準化的，所以設計一款新車就需要設計新的模具和夾具，增加了設計成本和投資成本，并且也造成了資源浪費和人力浪費，還會造成重復設計。

燃料電池汽車可以將動力、傳動和控制及懸架系統全部集成于一體，不需要發動機、變速箱和機械傳動裝置，因此底盤的設計就比較簡單，便于標準化，還可以將其結構設計得更加緊湊，增加了汽車的內部使用空間，有利于汽車其他電器裝置的布置。從總體上而言，燃料電池汽車的底盤可以更加優化，并且功能也會更加完善，性能更好。一般燃料電池汽車都采用平板底盤，這種設計方式可以實現底盤的標準化，使得底盤上各部分的尺寸大小、結構形式、接口方式都有統一的標準，部件之間不必再去考慮銜接的問題。

所謂尺寸的標準化是指將底盤各部分的長、寬、高做出標準化的限制，比如安裝車橋的位置尺寸等。為了滿足消費者對汽車功能的需求，可以在相同的底盤上，根據功能的需求更換相對應的車身來實現不同的功能，以及結構形式的變換。以一個簡單實例來進行說明，在已設計的皮卡底盤上，若消費者想要MPV的車身，設計者直接可以選擇相匹配的車身進行安裝就能滿足消費者的需求，而不需要進行重新設計，也不會造成資源的浪費。

結構標準化是指將底盤的各部件的結構形式都固定下來，并且分別制定相應的標準。例如，各部件的長、寬、高以及安裝孔位置等需要固定；同時，燃料電池、電機、控制器等裝置的安裝位置、擺放形式也需要固定。通過對底盤各部件的結構形式合理優化，可以使得它們的體積更小，能量傳遞的效率更高，底盤的布局也更加合理，汽車的功能也得到提升。這種模式就像現在的PC機，人們可以根據自己的需要選擇各部件，然后進行組裝，就能獲得相應配置的電腦。

接口是底盤各部件信息交互的通道，對接口進行標準化是指各部件的各種類型的接口尺寸的規格、形狀、數量、針腳定義都由統一規定，各類零部件供應商不需要再去開發一套接口定義規則，只需按照統一的規則去設計部件就可以了，汽車行業也不會出現接口泛濫的情況，這樣也方便消費者對某一部件的更換。

燃料電池汽車底盤的標準化對主機廠、供應商、消費者帶來非常多的益處。

主機廠的主要工作集中于根據市場需求選擇合適的燃料電池汽車組件，對各部件的匹配性能進行優化，這樣大大縮短了新汽車的開發周期，也減小了研發成本和人力成本。

在這種模式下，燃料電池汽車的車身部門可以單獨成為一個車身供應商，而不需受到傳統汽車主機廠的管制，可以根據客戶的需求設計出更多新型的車身供客戶選擇。

汽車零部件供應商在部件標準化的形勢下，不需要為了迎合主機廠的需求而去更改自身的設計，做一些沒有技術創新的工作，他們可以專注于研發新的產品，完善自身產品的功能，優化其結構，減小其成本，提高其可靠性，使其更加具有競爭力，并且這樣會大為激發供應商研發人員的研發熱情。

消費者在這種模式下可以提出自己的需求，并按照自己的需求進行合理選擇和匹配，可以運用較少的錢購買合適的汽車，并且在進行汽車升級的時候不需要更換汽車，只需選擇需要更換的部件進行升級，達到性能提升的目的，節約了升級成本，并且也減少了資源浪費。

2.2.5.2　燃料電池汽車技術創新推動中國汽車行業體制創新

燃料電池汽車技術創新有利于建立開放與合作的汽車研發平臺。汽車技術的集成創新要求各大企業與研究機構不能閉門搞研究，而必須建立開放與合作的汽車研發平臺，基于此平臺汽車產業鏈的各部分進行信息共享和交互，達到技術創新。目前世界各大汽車公司都建立了大量的合作交流平臺，讓各單元的信息有效共享和集成。而燃料電池汽車平板底盤的標準化使得合作變得更具可行性，因為研發設計標準化的平板底盤要比各個汽車公司開發設計各自專用的底盤更加節省時間、人力和物力。應利用自身優勢，加強國內、國際合作，縮短與國外的差距，彌補自身的不足，提高國內的汽車技術。