质子交换膜燃料电池在汽车上的应用

燃料电池用质子交换膜综述

1.1 概述

世界范围内的能源短缺问题越来越严重。对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重。然而，绝大多数能量的转化是热机过程实现的，转化效率低。在过去30年里，化石燃料减少，清洁能源需求增多。寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。因此，针对上述传统能源引来的诸多问题，提高能源的转换效率和寻求清洁新能源的研究获得越来越广泛的。

燃料电池(Fuel cell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能[1, 2]。而且，不受地域以及地理条件的限制。近年来，燃料电池得到了长足的发展，并且在不同的领域已得到了实际的应用。

1.2 燃料电池

燃料电池不受卡诺循环的限制，理论能量转化率高(在200°C以下，效率可达80％)，实际使用效率则是普通内燃机的2~3倍，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质[3]，环境友好。因此，燃料电池具有广阔的应用前景。下面从组成、分类和特点3个方面具体介绍一下燃料电池：

1.2.1 燃料电池的组成

燃料电池本质上是水电解的一个逆装置。在燃料电池中，氢和氧通过化学反应生成水，并放出电能。燃料电池基本结构主要由阳极、阴极和电解质3部分组成。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，加速电极上的电化学反应。两极之间是电解质，电解质可分为碱性型、磷酸型、固体氧化物型、熔融碳酸盐型和质子交换膜型等五大类型。以H2/O2燃料电池为例(图1-1)：H2进入燃料电池的阳极部分，阳极上的铂层将氢气转化成质子和电子。中间的电解质仅允许质子通过到达燃料电池的阴极部分。电子则通过外线路流向阴极形成电流。氧气进入燃料电池的阴极和质子，电子相结合生成水[4]。

图1. 1燃料电池工作示意图

1.2.2燃料电池的分类

通常燃料电池根据所用电解质的不同来划分，因为它决定了燃料电池的工作温度、电极上所采用的催化剂以及发生反应的化学物质。燃料电池按电解质的不同可分为五类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和质子交换膜燃料电池。表1.1列出了上述五种燃科电池的主要特点[5]。

新能源专题

2009年第8期 140 PEMFC电源系统及应用前景

吴团结 范永江 李 景 （中国舰船研究设计中心， 武汉 430064） 摘要 阐述了PEMFC工作原理及其电源系统构成。在介绍PEMFC在各领域广泛应用的同时，从电池主要材料和氢源技术两个方面进行了分析，提出了PEMFC发展中所要解决的问题。 关键词：质子交换膜；燃料电池；电源 The Research and Application Prospects of PEMFC Power Supply System Wu Tuanjie Fan Yongjiang Lijing (China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064) Abstract Faced with the crisis of energy and environment, the proton exchange membrane fuel cell has a good prospect due to its characteristics and advantages. This paper expounds the operational principle of the PEMFC and the composition of fuel cell power supply system, and in succession, introduces the application of PEMFC to various fields. It also gives some analysis of cell material and hydrogen energy,and indicates a series of problems in PEMFC development which need to be solved． Key words：proton exchange membrane；fuel cell；power supply 1 引言 燃料电池发电是在一定条件下使燃料（主要是H2）和氧化剂（主要是O2）发生化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池不同，只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规火力发电不同：它不受卡诺循环限制，能量转换效率高。燃料电池技术为我们提供了一种新的能源选择和工业发展道路。这种无污染的能源其潜在的应用前景是前所未有的，它能够提供可与电力网媲美的足够大的电力，与核能、太阳能、风能等新能源以及微型涡轮等新设备相比，燃料电池又是迄今惟一的横跨各种功率范围（如电站用、汽车用、电器用电源）、各种应用环境（如固定电站与移动电源等）的新能源技术；作为整个工业与日常生活的基础，燃料电池将促进整个工业甚至社会框架发生重大的、质的飞跃。燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。美国、欧洲和日本等发达国家相继投入巨资，并加以政策扶持，快步进入燃料电池工业规模发电行列，并已有商业化应用和军事运用成功典例。 无论军事或商业领域，对先进的发电技术的需求正变得日益迫切和重要，尤其面临日益走高的高油价时代的来临。诸多影响国家安全因素中包含这样一种需要，即减少对国外原油的依赖，向重要的军事、政治和经济部门提供充足安全的电力能源、应付突发事件。而且社会和军队的现代化发展，能源的消耗量无疑是巨大的。这种国家战略安全的需要和巨大而昂贵的能源消耗正迫使国家有关部门去挖掘可替代能源以确保不断增长的能源需求。我国正处于高度发展的现代化建设的战略转型期，对能源的需求非常大，并且严峻的国家安全环境和复杂的台海局势的任何异动，都会对国家的能源安全提出挑战。从国家安全和国民经济可持续发展的战略高度出发，发展军民两用燃料电池技术迫在眉睫。 2 PEMFC工作原理及系统组成 2.1 PEMFC工作原理 燃料电池是一种不经过燃烧直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的发电装置。其工作原理与普通电池基本相同，也是通过电化学反应把物质的化学能转变为电能。所不同的是，传统电池是事先填充好内部物质，化学反应结束后，不能新能源专题

质子交换膜燃料电池及其在电动车上应用的现状　兰泽全，曹欣玉，周俊虎，朱建新，岑可法　（浙江大学热能工程研究所能源洁净利用与环境工程教育部重点实验室，浙江杭州３１００２７）　摘要：质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）作为第四代发电技术的典范，具有高效和环境友好两大突出优点，受到　世界各国政府的极大关注和各大汽车公司的青睐，现已进行了众多的ＰＥＭＦＣ电动车开发项目，并将在不久的　将来投入市场。ＰＥＭＦＣ电动车前景灿烂。　关键词：质子交换膜燃料电池；电动车；高效；动力；示范项目　中图分类号：ＴＭ９１１　４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００４—３９５０（２０Ｏ２）０３—００１７—０４　ＰＥＭＦＣ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｔａｔｕｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｄｒｉｖｅｎ　ｂｙ　ｐｏｗｅｒ　ＬＡＮ　Ｚｅ．ｑｕａｎ，ＣＡＯ　Ｘｉｎ－ｙｕ，ＺＨＯＵ　Ｊｉｍ－ｈｕ，ＺＨＵ　Ｊｉａｎ—ｘｉｎ，ＣＥＮ　Ｋｅ—ｆａ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００２７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｕｒｔｈ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ＰＥＭＦＣ　ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ　ｔｗｏ　ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ　ｓｔｒｏｎｇ　ｐｏｉｎｔｓ，ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ａｍｉｔｙ　ｆｏｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｕｓ　ｉｔ　ｉｓ　ｄ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｇｏｖｅｍｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｓｈｏｗｓ　ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｙ　ｂｉｇ　ｍｏｔｏｒ　ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎｓ　ａｌｌ　ｏｖｅｒ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ．Ｍａｎｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ｏｎ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｄｒｉｖｅｎ　ｂｙ　ＰＥＭＦＣ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅｓｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｔｏ　ｂｅ　ｐｕｔ　ｉｎｔｏ　ｍａｒｋｅｔｓ　ｓｏｏｎ　Ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｅｎ　ｂｙ　ＰＥＭＦＣ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｂｒｉ　ｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＥＭＦＣ；ｍｏｔｏｒ　ｖｅｈｉｃｌｅ；ｈｉ【ｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｐｏｗｅｒ；ｍｏｄｅｌ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ　汽车工业是世界上仅次于石油化工的第二大　产业。然而传统汽车不仅消耗大量的石油资源，　而且汽车尾气中所含有的氮氧化物、碳氢化物、一　氧化碳等造成了严重的大气污染。据统计，汽车　排放污染占大气污染的４２％＿３ｊ，为此世界各国纷　纷制定了严格的汽车排放标准。这就迫使汽车工　业积极寻求开发少污染、低公害的环保型动力源。　随着质子交换膜燃料电池（简称ＰＥＭＦＣ）发电技　术的１３臻成熟，零污染的“绿色交通工具”正逐渐　成为现实。　１质子交换膜燃料电池（ＰＥＭＦＣ）概况　燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为　电能的装置。作为第四代燃料电池，ＰＥＭＦＣ是继　碱性燃料电池（ＡＦＣ）、磷酸型燃料电池（ＰＡＦＣ）、熔　融碳酸盐燃料电池（ＭＣＦＣ）、固体氧化物燃料电池　（ＳＯＦＣ）之后迅猛发展起来的温度最低、比能量最　高、启动最快、寿命最长、应用最广的新一代燃料　电池，已成为当前国际上燃料电池研制、开发的热　点，成为交通工具特别是汽车最理想的动力，最有　收稿日期：２００２—０３—２８　作者简介：兰泽全（１９７２一），男，四川广安人，在读博士。　希望成为“零排放”电动汽车的动力源，由此得到　世界各大汽车制造商的青睐。戴姆勒一奔驰、大　众、通用、福特、丰田和１３产等世界汽车工业的巨　人纷纷加盟ＰＥＭＦＣ的研究与开发工作。１９９７年，　奔驰公司一下子就投资２亿加元与加拿大巴拉德　公司合资开发燃料电池。次年，福特汽车公司也　斥资４．２亿美元加入巴拉德一奔驰联盟，组建了　ＰＥＭＦＣ发动机。美国《时代周刊》１９９５年将燃料　电池电动车列为２１世纪十大高新技术之首ｌ　。　１．１　ＰＥＭＦＣ的优点　ＰＥＭＦＣ除具有一般燃料电池的优点外，还有　自身特有的优点，概括起来有：①效率高。因不受　“卡诺循环”的限制，其能量转化效率高达６０％～　８０％，实际使用效率则是普通内燃机的２～３倍。　②无污染。由于反应产物主要是水，无氮氧化物　和硫氧化物，二氧化碳的排放量很少。③噪音低。　因无大型旋转部件，因此噪音极小。④寿命长。　⑤燃料具有多样性：甲醇、乙醇、甲烷、天然气、含　氢废气、纯氢、轻油和柴油等均可。⑥室温下工　作，工作温度６０～８０℃。⑦启动十分迅速，启动　２ＩＸＩ２③

质子交换膜燃料电池的实际应用

质子交换膜燃料电池，听着名字就挺“高大上”的吧？感觉像是啥高科技玩意儿，但其实这东西可不复杂，它是咱们日常生活中一个非常重要的绿色能源技术。你想啊，电池基本上就是储存能量的工具，可燃料电池可不一样，它就像是一个能“吃”东西然后变电的超级小机器。你给它加上氢气，它就能生电，不污染，效率还高，简直是环保小能手！简直是新能源汽车、移动设备、甚至太空探索中的超级英雄。你要说它厉害吧，它一点也不高傲。就默默无闻地发挥着重要作用，帮助咱们抵挡雾霾和污染，呵护咱们的蓝天白云。

要是你看过新能源汽车，肯定见过那些不冒烟、不发臭的车吧？你猜怎么着？这些车背后的功臣就是质子交换膜燃料电池。要知道，传统汽车靠的是内燃机，发动机一轰，油烧着了，废气冒出来。你一看，天上就多了一层“灰蒙蒙”，空气质量立马掉线。但燃料电池车就不一样了，它“吃”的是氢气和氧气，废气什么的，根本没得说——只有水蒸气。没错，就是那么干净。你想想，开着这样的车上路，呼吸的都是新鲜空气，简直是给地球母亲送上一颗甜美的果实。更厉害的是，这种电池能充电的速度快到惊人，十来分钟就能加满，行驶的距离也不差。油电混合车？啥？燃油车？不配！燃料电池车直接亮瞎眼，秒杀一切。

说到应用，大家可能觉得这玩意儿好像是科幻电影里的道具，质子交换膜燃料电池早就被实际应用到许多领域了。想想那会儿，家里电器用的电池大部分还是蓄电池、锂电池什么的。可是这些电池有一个致命弱点——电量有限，而且充电慢，使用寿命短。燃料电池就完美解决了这个问题。举个例子，航天飞机上的燃料电池，不仅能提供动力，还能提供水给宇航员喝。这不就像是吃饭和喝水都能一体化解决了？多实用啊！

再说说移动设备吧。你看手机、笔记本电脑这些电子设备，电池没个两三年就得换一遍。而燃料电池的优势就体现在它的续航上，能量密度更高，换句话说就是相同体积下，燃料电池能存储更多的能量。用这种电池做的设备，基本上能够持续工作更长时间，给你不间断的服务。你要是有过手机电池爆炸的痛苦经历，那你一定知道传统电池的脆弱性。而燃料电池就能大大降低这类问题。因为它不像传统电池那样容易发生化学反应，基本上是“稳如老狗”。咱说的稳，并不是指它就不会有任何问题，毕竟科技这东西，有时候也会出乎意料，呵呵。