2.2　燃料电池

2.2.1　燃料电池及应用概述

燃料电池实质上是电化学反应发生器，其反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧而直接转化为电能。氢氧燃料电池实际上就是一个电解水的逆过程，通过氢气和氧气的化学反应生成水并释放电能，氢气和氧气分别是反应过程中的燃料及氧化剂。与普通充电电池相比，燃料电池是一个能量生成装置，并且一直产生能量直至燃料用尽。燃料电池的优越性在于高效率地把燃料转化为电能，工作安静，零排放或低排放工作，产生的剩余热量可以再利用，燃料补充迅速等。

如图2-4所示，燃料电池通常由三部分组成，即正极（A）、负极（C）和电解质（E）。正极（燃料电极）为燃料和电解液提供了一个接触面，在催化剂作用下发生氧化反应并输出电子到外电路。另外，负极（氧气电极）为氧气和电解质提供了一个接触面，在催化剂作用下发生还原反应并从外电路接受电子。在正极和负极之间，电解质用于传递燃料反应的离子，并和氧气电极反应，而且还用于传递电子。

氢气具有比任何燃料都高的单位比能量，是燃料电池理想的无污染燃料，而且燃料电池的反应生成物为纯净的水，其反应方程式为：

2H2+O22H2O

氢气不是初级燃料，通常需要从初级燃料比如碳氢化合物（CH4～C10H22）、甲醇和煤等通过处理提取得到。主要有以下三种储氢方法。

①采用压缩气体，即压缩氢气（CHG），与压缩天然气相似，CHG装在20～34.5MPa的玻璃纤维加强的铝瓶中。

②冷冻氢气至-253℃以下，形成液态氢，并储存在低温容器中。

③使氢气与金属镁和钒反应形成储氢金属，储氢反应是可逆的并与分解温度有关（最高可达300℃）。

表2-9为主要燃料的理论能量值，其中包括以不同方式储存的氢气、液态甲醇和液态汽油。CHG具有重量轻、成本低、技术成熟以及燃料补充迅速等优点，但体积大、存在安全问题。液态氢比能量高、燃料补充迅速，但具有生产成本和销售成本昂贵，挥发性等缺点。虽然储氢金属具有尺寸紧凑、使用安全等优点，但其缺点是氢气分离温度高（储氢镁分离温度为287℃）且比能量相对较低（储氢钒比能量为700W·h/kg）。

①环境温度，20MPa压力。

②低温环境，0.1MPa压力。

由于燃料电池是一个多变量系统，如燃料类型、电解质类型、燃料供给方式和工作温度等，所以燃料电池具有多种归类方法。按照工作温度可以分为高、中及低温型三类。工作温度低于100℃，称为低温型；工作温度100～300℃，为中温型；工作温度高于300℃，为高温型。按燃料类型分，有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。国内外燃料电池研究者一般按照燃料电池电解质类型进行分类，一般分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）等，其性能比较见表2-10。

2.2.2　质子交换膜燃料电池结构与原理

最近电动汽车用燃料电池的开发重点集中在质子交换膜燃料电池（PEMFC）技术上。质子交换膜燃料电池用于电动汽车具有五个明显的优点。

①在所有类型的燃料电池中，质子交换膜燃料电池功率密度最高，对电动汽车使用来说，功率密度越高，则所使用的燃料电池的体积就会越小。

②工作温度低，启动迅速，适用于车辆使用。

③采用了固态电解液，不会出现电解液的变形、移动和蒸发。

④由于电池中唯一的液体为水，本质上避免了腐蚀作用。

⑤与碱性燃料电池对二氧化碳的敏感性不同，质子交换膜燃料电池对进入电池反应的空气中的二氧化碳不敏感。

质子交换膜燃料电池的主要缺点是使用了贵金属铂作电极反应催化剂，因此导致成本较高，限制了其大规模推广应用。

质子交换膜燃料电池的结构原理如图2-5所示。电池单体主要由膜电极（正极和负极、质子交换膜）和集流板组成。具体反应步骤为，经增湿后的H2和O2分别进入正极室及负极室，经电极扩散层扩散到达催化层和质子交换膜的界面，分别在催化剂作用下发生氧化和还原反应，电化学反应方程式如下。

正极：H2 2H++2e-

负极：O2+4H++4e-2H2O

电池总反应：

正极反应生成的质子（H+）通过质子交换膜传达到负极，正极反应产生的电子通过外电路到达负极。生成的水以水蒸气或冷凝水的形式随过剩的负极反应气体从负极室排出。

质子交换膜燃料电池的核心部件包括质子交换膜、催化剂、膜电极和双极性集流板等。

（1）质子交换膜　质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心部件，是一种厚度仅为50～180μm的极薄的膜片，是电极活性物质（催化剂）的基底。它的主要特点是在一定的温度和湿度条件下，具有选择透过性，即只允许质子透过，而不允许H2分子及其他离子透过。质子交换膜燃料电池对于质子交换膜的要求非常高，它不仅要具有良好的离子导电性能，还要同时具有适度的含水率，对电池工作过程中的氧化、还原和水解具有稳定性，具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结合等性能。质子交换膜的厚度和单位面积质量、抗拉强度、含水率、溶胀度、导电性能及选择通过性能等对燃料电池的性能有很大的影响。

质子交换膜的类型主要有酚醛树脂磺酸型膜、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。主要生产厂家有美国的杜邦公司、DOW化学公司，日本的Asahi公司、氯工程公司和加拿大的巴拉德公司等。由于膜的结构、工艺和生产批量等问题的存在，到目前为止，质子交换膜的成本还是非常高的，几乎占了燃料电池系统总成本的20%～30%。

（2）催化剂　催化剂是质子交换膜燃料电池的另一项核心技术。质子交换膜燃料电池的正极反应为氢的氧化反应，负极为氧的还原反应。为了加快电化学反应的速率，气体扩散电极上都含有一定量的催化剂。催化剂包括负极催化剂和正极催化剂两类。对负极催化剂的要求是足够的催化活性和稳定性。对正极催化剂的要求与对负极催化剂的要求类似，但是正极催化剂还应具有抗CO中毒的能力，对于使用烃类燃料重整的质子交换膜燃料电池系统，正极催化剂尤其要注意这个问题。

目前，质子交换膜燃料电池大都选用铂（Pt）类贵金属作催化剂。Pt对于两个电极反应均具有催化活性，而且可以长期稳定工作，但是由于Pt价格昂贵、资源匮乏，使得质子交换膜燃料电池的成本居高不下，限制了其大规模应用。目前，主要研究重点在提高Pt的利用率，减少单位面积的使用量；其次是寻找新的、价格较低的非贵金属催化剂。

（3）膜电极　质子交换膜与两侧的气体扩散电极（负极和正极）复合，组成燃料电池的膜电极（MEA，membrane electrode assembly），是质子交换膜燃料电池的心脏。质子交换膜和催化剂就包含在膜电极中，除此之外，还包含负极和正极的扩散层。

MEA是质子交换膜燃料电池的核心部分，是影响其性能、能量密度分布和工作寿命的关键因素。组成MEA的电极材料、电极的制备工艺和方法等决定了其基本性能。另外，MEA中贵金属（如Pt）的用量也与电极的制备方法有直接的关系。目前常采用涂膏法（pasting）、浇注法（casting）、滚压法（rolling）和电化学催化法（ECC）等。

（4）双极性集流板　双极性集流板简称为双极板或集流板，放置在膜电极的两侧，分别称为正极集流板和负极集流板。除了导电外，其主要作用还包括导流燃料和氧气以及导流冷却水。

集流板主要有石墨集流板、金属集流板和复合型集流板等几种类型。集流板的设计主要考虑导电性能、密封性、气体的分布以及水和热的排除等。目前制作集流板的材料主要有石墨、表面改性的金属、炭黑、聚合物合成材料等，其制造工艺已比较成熟。

2.2.3　质子交换膜燃料电池系统

由于燃料电池单体的输出电压和输出功率不能满足电动汽车的使用要求，因此必须将不同数目的燃料电池单体串联形成燃料电池堆使用，以满足电压和功率的要求。另外，单独的燃料电池堆也是不能发电并应用于电动汽车的，它还必须和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/管理系统以及一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料电池发电系统（简称燃料电池系统），才能对外输出功率。典型的质子交换膜燃料电池系统原理如图2-6所示。

车载质子交换膜燃料电池的供氢系统可分为车载储氢和车载制氢两种。车载制氢是用碳氢化合物在重整器内经化学反应后生产氢的方式，由于存在安全性等问题，目前用得较少，最成熟的技术还是车载储氢。

质子交换膜需要一定的含水量才可以传导质子，因此燃料电池系统必须有加湿系统，保证燃料电池工作时所需的湿度条件。加湿系统的作用就是润湿送入燃料电池堆的氢气和空气，同时利用燃料电池反应生成的水。

除了加湿系统外，还需要冷却系统，利用冷却介质在燃料电池中循环流动，吸收燃料电池产生的热量，并维持燃料电池在最佳温度条件下工作。从电池堆出来的冷却介质通过热交换器将燃料电池产生的热量带到环境中去。

燃料电池控制系统则根据负载对燃料电池功率的要求，或随燃料电池工作条件（压力、温度、电压等）的变化，对反应气体的流量、压力、加湿/冷却系统的水流速等进行综合控制，保证电池正常有效的运行。控制系统主要由多种功能不同的传感器、控制阀、泵、调节控制装置、管路、控制单元等组成。

2.2.4　质子交换膜燃料电池性能及其影响因素

影响质子交换膜燃料电池性能的主要因素包括燃料电池的工作温度、反应物的工作压力、气体的流量和排气背压等。

（1）工作温度　工作温度对燃料电池的输出特性的影响比较明显。随着温度的升高，燃料电池的内阻减小。在相同电流密度条件下，随着燃料电池工作温度的升高，其工作电压也会随之增大。温度升高加速了反应气体向催化剂层的扩散，加速了质子从阳极向阴极的运动及生成物水的排出，这些都会对燃料电池性能的提高起到积极的作用。

（2）工作压力　反应物的工作压力对燃料电池堆的功率密度影响比较明显，一般来说，工作压力越高，功率密度越大。通常，燃料电池质子交换膜两侧的压力是保持平衡的，这样可以将气体通过交换膜的扩散减小到最低程度，因为这种扩散不仅会造成燃料电池工作电压的降低，而且扩散严重会导致氢氧混合气体的爆炸。

燃料电池是静态能量转换装置，基本没有运动部件，具有效率高、无污染、过载能力强、振动噪声小等优点。质子交换膜燃料电池堆的能量效率理论上可接近83%，实际效率已达50%～60%，是普通内燃机的2倍左右。目前来看，提高燃料电池的可靠性和环境适应性、降低系统成本、完善制氢-储氢-加氢站基础设施网建设仍是燃料电池汽车技术攻关的关键，并将直接决定着燃料电池汽车商业化的时间表。

2.2.5　燃料电池电动汽车的技术创新

燃料电池电动汽车集机、电、化学等学科于一体，运用化学原料产生的能量驱动汽车前进，目前已成为世界各国大力开发的热点。由于燃料电池具有对环境污染少、无噪声、可实现能量的循环利用、燃料资源充足和工作持久可靠等优点，而且不再依赖传统的石油资源，因此燃料电池电动汽车极具发展潜力，在汽车领域的发展前景可观。

2.2.5.1　燃料电池汽车与传统汽车的结构差异

传统内燃机汽车的底盘由传动系统、行驶系统、悬架系统、转向系统和制动系统构成，并考虑安全性的要求，加强车身结构设计。为了达到安全性和可靠性的要求，在制造过程中，因外形不同形成的各种覆盖件只能通过焊接。这些部件的形状不能统一，导致发动机和底盘的尺寸也不是标准化的，所以设计一款新车就需要设计新的模具和夹具，增加了设计成本和投资成本，并且也造成了资源浪费和人力浪费，还会造成重复设计。

燃料电池汽车可以将动力、传动和控制及悬架系统全部集成于一体，不需要发动机、变速箱和机械传动装置，因此底盘的设计就比较简单，便于标准化，还可以将其结构设计得更加紧凑，增加了汽车的内部使用空间，有利于汽车其他电器装置的布置。从总体上而言，燃料电池汽车的底盘可以更加优化，并且功能也会更加完善，性能更好。一般燃料电池汽车都采用平板底盘，这种设计方式可以实现底盘的标准化，使得底盘上各部分的尺寸大小、结构形式、接口方式都有统一的标准，部件之间不必再去考虑衔接的问题。

所谓尺寸的标准化是指将底盘各部分的长、宽、高做出标准化的限制，比如安装车桥的位置尺寸等。为了满足消费者对汽车功能的需求，可以在相同的底盘上，根据功能的需求更换相对应的车身来实现不同的功能，以及结构形式的变换。以一个简单实例来进行说明，在已设计的皮卡底盘上，若消费者想要MPV的车身，设计者直接可以选择相匹配的车身进行安装就能满足消费者的需求，而不需要进行重新设计，也不会造成资源的浪费。

结构标准化是指将底盘的各部件的结构形式都固定下来，并且分别制定相应的标准。例如，各部件的长、宽、高以及安装孔位置等需要固定；同时，燃料电池、电机、控制器等装置的安装位置、摆放形式也需要固定。通过对底盘各部件的结构形式合理优化，可以使得它们的体积更小，能量传递的效率更高，底盘的布局也更加合理，汽车的功能也得到提升。这种模式就像现在的PC机，人们可以根据自己的需要选择各部件，然后进行组装，就能获得相应配置的电脑。

接口是底盘各部件信息交互的通道，对接口进行标准化是指各部件的各种类型的接口尺寸的规格、形状、数量、针脚定义都由统一规定，各类零部件供应商不需要再去开发一套接口定义规则，只需按照统一的规则去设计部件就可以了，汽车行业也不会出现接口泛滥的情况，这样也方便消费者对某一部件的更换。

燃料电池汽车底盘的标准化对主机厂、供应商、消费者带来非常多的益处。

主机厂的主要工作集中于根据市场需求选择合适的燃料电池汽车组件，对各部件的匹配性能进行优化，这样大大缩短了新汽车的开发周期，也减小了研发成本和人力成本。

在这种模式下，燃料电池汽车的车身部门可以单独成为一个车身供应商，而不需受到传统汽车主机厂的管制，可以根据客户的需求设计出更多新型的车身供客户选择。

汽车零部件供应商在部件标准化的形势下，不需要为了迎合主机厂的需求而去更改自身的设计，做一些没有技术创新的工作，他们可以专注于研发新的产品，完善自身产品的功能，优化其结构，减小其成本，提高其可靠性，使其更加具有竞争力，并且这样会大为激发供应商研发人员的研发热情。

消费者在这种模式下可以提出自己的需求，并按照自己的需求进行合理选择和匹配，可以运用较少的钱购买合适的汽车，并且在进行汽车升级的时候不需要更换汽车，只需选择需要更换的部件进行升级，达到性能提升的目的，节约了升级成本，并且也减少了资源浪费。

2.2.5.2　燃料电池汽车技术创新推动中国汽车行业体制创新

燃料电池汽车技术创新有利于建立开放与合作的汽车研发平台。汽车技术的集成创新要求各大企业与研究机构不能闭门搞研究，而必须建立开放与合作的汽车研发平台，基于此平台汽车产业链的各部分进行信息共享和交互，达到技术创新。目前世界各大汽车公司都建立了大量的合作交流平台，让各单元的信息有效共享和集成。而燃料电池汽车平板底盘的标准化使得合作变得更具可行性，因为研发设计标准化的平板底盘要比各个汽车公司开发设计各自专用的底盘更加节省时间、人力和物力。应利用自身优势，加强国内、国际合作，缩短与国外的差距，弥补自身的不足，提高国内的汽车技术。