燃料電池及其在新能源客車中的應用

摘要：隨著新能源客車的發展，燃料電池車以其獨特的優勢被認為是新能源客車的終極發展目標。文章介紹了燃料電池的優缺點、分類、工作原理，闡述了不同種類燃料電池車的特點及燃料電池應用情況。

關鍵詞：燃料電池；新能源客車；發電裝置；電動機；機械傳動裝置 文獻標識碼：A

中圖分類號：U469 文章編號：1009-2374（2015）18-0119-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.060

燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料電池汽車的工作原理是：使作為燃料的氫在汽車搭載的燃料電池中，與大氣中的氧發生化學反應，產生出電能發動電動機，由電動機帶動汽車中的機械傳動結構，進而帶動汽車的前后方向軸、后橋等行走機械結構，轉動車輪驅動汽車。與傳統汽車相比，燃料電池車優點突出，主要為零排放或近似零排放，燃料來源廣泛，減少了機油泄露帶來的水污染，降低了溫室氣體的排放，提高了燃油經濟性，環境適應性強，提高了發動機燃料效率且運行平穩、無噪聲，成為近年來研究的熱點。

1 燃料電池的由來

1939年英國William Robert Grove進行水的電解實驗，將水分解為氫氣和氧氣，由此想到其逆反應，使氫氣和氧氣反應就有可能產生電。為證實這一理論，他將兩條白金帶分別放入兩個密封瓶中，一個瓶中裝有氫氣，一個瓶中裝有氧氣，當把這兩個密封瓶放入稀釋的硫酸溶液中時，電流開始在兩個電極之間流動，瓶中生成了水。為提升電壓，他將四組裝置串聯起來，這就是全世界公認的第一個燃料電池。

2 燃料電池的優缺點

燃料電池具有非常獨特的優點，主要表現在：能量轉化效率高，可直接將化學能轉化為電能；運行平穩、無噪聲；零排放或近似零排放，減少了機油泄露帶來的水污染，降低了溫室氣體的排放；提供的動力可隨時啟停，可通過控制燃料實現。

雖然燃料電池有著獨特的優勢，但其自身也存在一些嚴重的不足：成本昂貴；燃料的存儲困難，一般是使用氫氣做燃料，氫氣的體積能量密度較低，且具有一定的安全隱患，導致存儲異常困難；對工作環境的要求高，對溫度、環境的潔凈度等也有較高要求。

基于燃料電池以上的特點，燃料電池在新能源客車的批量應用還有很長一段路要走，只有從技術上解決這些瓶頸問題，燃料電池車才能得以批量推廣。

3 燃料電池的分類

燃料電池按電解質類型分為質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池、堿性燃料電池、磷酸鹽燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池等。

3.1 質子交換膜燃料電池

質子交換膜一般是一種質子導體聚合電解膜，常見的是氟化磺酸基聚合物。質子交換膜燃料電池的聚合物膜厚度只有20～200μm，兩邊各自覆蓋一層鉑催化劑和多空的碳電極支撐材料。因為聚合物膜必須水合以保持足夠的電導率，所以其工作溫度必須限制在90℃以下。

質子交換膜燃料電池在所有的燃料電池中功率密度最高，有利于在新能源客車上應用及推廣；可以低溫運行，便于新能源客車實現快速啟停；另外固態的電解質不變化、不遷移、不氣化，有效延長了電池的使用壽命；單體電池電壓高，有利于進行整合用于裝車。缺點主要是使用昂貴的鉑催化劑，對CO和S比較敏感，微量的CO和S容易造成催化劑中毒。但因其顯著的優勢，目前已在新能源車上得以應用，并取得一定的運營效果。

3.2 固態氧化物燃料電池

固態氧化物燃料電池使用固體陶瓷電解質，最常見的是氧化釔和氧化鋯的混合物。固態氧化物燃料電池燃料選擇非常靈活，使用非貴重金屬催化劑，電解質簡單易得，有相對較高的功率密度。但突出的缺點是工作溫度較高，不易實現。

3.3 堿性燃料電池

堿性燃料電池使用氫氧化鉀水溶液電解質，根據其濃度不同，堿性燃料電池可以在60℃～220℃下工作。堿性燃料電池有望使用非貴重金屬催化劑替代鉑催化劑，材料成本低廉。但是需要使用高純氫氣和氧氣做燃料和氧化劑，不斷補充電解質，并需要及時排除陽極生成的水。

3.4 磷酸鹽燃料電池

磷酸鹽燃料電池使用液態磷酸作為電解質，液態磷酸會不斷揮發，所以要求在工作時需要不斷加入磷酸。磷酸鹽燃料電池技術較成熟，電解質成本低，可靠性較好。但需要使用昂貴的鉑催化劑，對CO和S比較敏感，并需要不斷補充電解質。

3.5 熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池的電解質是一種固定在LiOAlO2基體中的堿性碳酸鹽，碳酸鋰和碳酸鉀的熔融混合物。熔融碳酸鹽燃料電池燃料選擇多，使用非貴重金屬催化劑，但必須提供CO2循環，因為電解質具有熔融性和腐蝕性，需要使用耐腐蝕材料。

五種燃料電池使用不同的電解質，所發生的化學反應、工作溫度、電池的材料及設計、優缺點各有不同。其中質子交換膜燃料電池由于工作溫度低、啟動快、比功率高、結構簡單、操作方便，被公認為電動汽車的首選燃料電池。

4 燃料電池的工作原理

以質子交換膜燃料電池為例，簡單介紹其工作原理。質子交換膜燃料電池主要由端板、絕緣板、集流板、密封圈、雙極板、膜電極組件MEA、擴散層、冷卻通道組成。

在燃料電池內部，質子交換膜為質子的遷移和輸送提供通道，使質子經過膜從陽極到達陰極，與外電路的電子形成回路，向外界提供電流。反應過程是水的電解的逆反應過程：它由正極、負極和夾在正負極中間的電解質板所組成。工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣）。在負極上，燃料分解成氫離子和電子e-。氫離子進入電解質中，而電子則沿外部電路移向正極。在正極上，空氣中的氧同電解質中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。

5 燃料電池在新能源客車上的應用

燃料電池車按照驅動形式分為純燃料電池驅動和混合驅動。混合驅動按照輔助動力源分為燃料電池+蓄電池，燃料電池+超級電容，燃料電池+蓄電池+超級電容。按照燃料電池功率分為功率混合型和能量混合型。

5.1 純燃料電池驅動車構型

燃料電池作為單一動力源，經DCDC帶動電機驅動整車行駛，結構簡單，但是燃料電池功率要求大，成本昂貴，由于燃料電池作為唯一動力源，所以對燃料電池的性能和可靠性要求高，不能進行制動能量回收。

5.2 燃料電池+蓄電池混合驅動車構型

燃料電池和蓄電池均為整車動力源，燃料電池經DCDC帶動電池驅動整車行駛，蓄電池也可驅動整車行駛，進行制動能量回收，并用于空壓機等部件工作，電堆加熱，氣體加濕。此構型降低了燃料的功率要求、成本，并可實現制動能量回收，但是增加了系統復雜性和蓄電池的維護成本。

5.3 燃料電池+超級電容混合驅動車構型

燃料電池和超級電容均為整車動力源，燃料電池經DCDC帶動電機驅動整車行駛，與蓄電池相比，超級電容壽命長、效率高、成本低，但由于其容量小，制動能量回收能量有限。

5.4 燃料電池+蓄電池+超級電容混合驅動車構型

燃料電池、超級電容、蓄電池均為整車動力源，燃料電池經DCDC帶動電機驅動整車行駛，與以上構型相比，超級電容可提供加速或吸收緊急制動的尖峰電流，減輕蓄電池的負擔，延長蓄電池的壽命，但復雜程度高、控制復雜。

6 結語

燃料電池因其獨特的優點成為新能源車的終極發展目標，因此我們需要加強對燃料電池的深入研究，為燃料電池商業化奠定基礎。

參考文獻

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作者簡介：吳小嶺（1985-），女，河南鄭州人，鄭州宇通客車股份有限公司工程師，碩士，研究方向：動力電池。

（責任編輯：蔣建華）