摘要：隨著新能源客車的發(fā)展，燃料電池車以其獨(dú)特的優(yōu)勢被認(rèn)為是新能源客車的終極發(fā)展目標(biāo)。文章介紹了燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)、分類、工作原理，闡述了不同種類燃料電池車的特點(diǎn)及燃料電池應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：燃料電池；新能源客車；發(fā)電裝置；電動機(jī)；機(jī)械傳動裝置 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生出電能發(fā)動電動機(jī)，由電動機(jī)帶動汽車中的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，進(jìn)而帶動汽車的前后方向軸、后橋等行走機(jī)械結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動車輪驅(qū)動汽車。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池車優(yōu)點(diǎn)突出，主要為零排放或近似零排放，燃料來源廣泛，減少了機(jī)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(jīng)濟(jì)性，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，提高了發(fā)動機(jī)燃料效率且運(yùn)行平穩(wěn)、無噪聲，成為近年來研究的熱點(diǎn)。

1 燃料電池的由來

1939年英國William Robert Grove進(jìn)行水的電解實(shí)驗(yàn)，將水分解為氫氣和氧氣，由此想到其逆反應(yīng)，使氫氣和氧氣反應(yīng)就有可能產(chǎn)生電。為證實(shí)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(dāng)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(lián)起來，這就是全世界公認(rèn)的第一個燃料電池。

2 燃料電池的優(yōu)缺點(diǎn)

燃料電池具有非常獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：能量轉(zhuǎn)化效率高，可直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；運(yùn)行平穩(wěn)、無噪聲；零排放或近似零排放，減少了機(jī)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(shí)現(xiàn)。

雖然燃料電池有著獨(dú)特的優(yōu)勢，但其自身也存在一些嚴(yán)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(dǎo)致存儲異常困難；對工作環(huán)境的要求高，對溫度、環(huán)境的潔凈度等也有較高要求。

基于燃料電池以上的特點(diǎn)，燃料電池在新能源客車的批量應(yīng)用還有很長一段路要走，只有從技術(shù)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(zhì)類型分為質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池

質(zhì)子交換膜一般是一種質(zhì)子導(dǎo)體聚合電解膜，常見的是氟化磺酸基聚合物。質(zhì)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?yàn)榫酆衔锬け仨毸弦员３肿銐虻碾妼?dǎo)率，所以其工作溫度必須限制在90℃以下。

質(zhì)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(yīng)用及推廣；可以低溫運(yùn)行，便于新能源客車實(shí)現(xiàn)快速啟停；另外固態(tài)的電解質(zhì)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(jìn)行整合用于裝車。缺點(diǎn)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(yōu)勢，目前已在新能源車上得以應(yīng)用，并取得一定的運(yùn)營效果。

3.2 固態(tài)氧化物燃料電池

固態(tài)氧化物燃料電池使用固體陶瓷電解質(zhì)，最常見的是氧化釔和氧化鋯的混合物。固態(tài)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(zhì)簡單易得，有相對較高的功率密度。但突出的缺點(diǎn)是工作溫度較高，不易實(shí)現(xiàn)。

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(zhì)，根據(jù)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(bǔ)充電解質(zhì)，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(tài)磷酸作為電解質(zhì)，液態(tài)磷酸會不斷揮發(fā)，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(shù)較成熟，電解質(zhì)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(bǔ)充電解質(zhì)。

3.5 熔融碳酸鹽燃料電池

熔融碳酸鹽燃料電池的電解質(zhì)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(huán)，因?yàn)殡娊赓|(zhì)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(zhì)，所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、工作溫度、電池的材料及設(shè)計(jì)、優(yōu)缺點(diǎn)各有不同。其中質(zhì)子交換膜燃料電池由于工作溫度低、啟動快、比功率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，被公認(rèn)為電動汽車的首選燃料電池。

4 燃料電池的工作原理

以質(zhì)子交換膜燃料電池為例，簡單介紹其工作原理。質(zhì)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(kuò)散層、冷卻通道組成。

在燃料電池內(nèi)部，質(zhì)子交換膜為質(zhì)子的遷移和輸送提供通道，使質(zhì)子經(jīng)過膜從陽極到達(dá)陰極，與外電路的電子形成回路，向外界提供電流。反應(yīng)過程是水的電解的逆反應(yīng)過程：它由正極、負(fù)極和夾在正負(fù)極中間的電解質(zhì)板所組成。工作時向負(fù)極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣）。在負(fù)極上，燃料分解成氫離子和電子e-。氫離子進(jìn)入電解質(zhì)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(zhì)中的氫離子吸收抵達(dá)正極上的電子形成水。

5 燃料電池在新能源客車上的應(yīng)用

燃料電池車按照驅(qū)動形式分為純?nèi)剂想姵仳?qū)動和混合驅(qū)動?；旌向?qū)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?nèi)剂想姵仳?qū)動車構(gòu)型

燃料電池作為單一動力源，經(jīng)DCDC帶動電機(jī)驅(qū)動整車行駛，結(jié)構(gòu)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(jìn)行制動能量回收。

5.2 燃料電池+蓄電池混合驅(qū)動車構(gòu)型

燃料電池和蓄電池均為整車動力源，燃料電池經(jīng)DCDC帶動電池驅(qū)動整車行駛，蓄電池也可驅(qū)動整車行駛，進(jìn)行制動能量回收，并用于空壓機(jī)等部件工作，電堆加熱，氣體加濕。此構(gòu)型降低了燃料的功率要求、成本，并可實(shí)現(xiàn)制動能量回收，但是增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和蓄電池的維護(hù)成本。

5.3 燃料電池+超級電容混合驅(qū)動車構(gòu)型

燃料電池和超級電容均為整車動力源，燃料電池經(jīng)DCDC帶動電機(jī)驅(qū)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(qū)動車構(gòu)型

燃料電池、超級電容、蓄電池均為整車動力源，燃料電池經(jīng)DCDC帶動電機(jī)驅(qū)動整車行駛，與以上構(gòu)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(fù)擔(dān)，延長蓄電池的壽命，但復(fù)雜程度高、控制復(fù)雜。

6 結(jié)語

燃料電池因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)成為新能源車的終極發(fā)展目標(biāo)，因此我們需要加強(qiáng)對燃料電池的深入研究，為燃料電池商業(yè)化奠定基礎(chǔ)。

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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(zé)任編輯：蔣建華）