燃料電池及燃料電池電動(dòng)車

燃料電池及燃料電池電動(dòng)車本章內(nèi)容提要燃料電池(FuelCell)的基本原理及組成燃料電池的分類各類燃料電池的特點(diǎn)及研發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀燃料電池的發(fā)展趨勢燃料電池汽車基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)燃料電池汽車的研發(fā)進(jìn)展燃料電池發(fā)展史上的里程碑1839年英國人Grove以氫氣和氧氣為燃料，Pt絲為電極的第一個(gè)燃料電池問世，這是燃料電池的雛形1889年Mond和Langer重復(fù)了創(chuàng)始人Grove的實(shí)驗(yàn)，并引入燃料電池的概念，他們首次發(fā)現(xiàn)鉑化的電極容易被燃料氣中存在的CO所毒化1902-1904年Reid在1902年和Lno在1904年用KOH溶液作為燃料電池的電解質(zhì)，開發(fā)了堿性燃料電池的雛形1939年Bacon于1932年研制了電解質(zhì)為27%KOH溶液的堿性燃料電池，工作溫度為100℃，氣體壓力為220bar，在0.89V時(shí)獲得了電流密度為13mA/cm21959年Bacon發(fā)明了雙孔燒結(jié)Ni氣體擴(kuò)散電極，并演示5kW的堿性燃料電池系統(tǒng)1962年美國通用電力公司發(fā)展了PEMFC技術(shù)，PEMFC和AFC燃料電池先后被成功地用于雙子星座Gemini和Apollo登月飛行1967年磷酸燃料電池（PAFC）問世，并獲得優(yōu)先發(fā)展1968年通用汽車生產(chǎn)出了第一輛可使用的燃料電池汽車1977年世界上第一個(gè)兆瓦級(jí)燃料電池組（1MWPAFC）在美國問世并通過了測試，后來4.5MWPAFC工廠又在美國和日本試驗(yàn)成功1983年加拿大Ballard公司成功試驗(yàn)質(zhì)子交換膜的PEMFC1991年當(dāng)時(shí)世界上最大容量的11MW的MCFC燃料電池廠在日本問世1992年開始研制直接甲醇PEMFC1993年Ballard公司研制的世界上第一個(gè)以PEMFC為動(dòng)力源的電動(dòng)客車在加拿大展出1997年Ballard公司和德國戴姆勒-本茨、美國福特公司合作開發(fā)車用燃料電池2001-2003年福特、豐田、本田、戴-克等汽車公司相繼推出燃料電池汽車，我國863項(xiàng)目燃料電池汽車概念車推出1、燃料電池的基本原理及組成燃料電池FC（FuelCell）是一種不經(jīng)過燃燒過程直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置1.1燃料電池(FuelCell)的基本原理

燃料電池通過氧與氫結(jié)合成水的簡單電化學(xué)反應(yīng)而發(fā)電。燃料電池的基本組成有：電極、電解質(zhì)、燃料和催化劑。二個(gè)電極被一個(gè)位于這它們之間的、攜帶有充電電荷的固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)分開。在電極上，催化劑，例如白金，常用來加速電化學(xué)反應(yīng)。下圖為燃料電池基本原理示意圖。1.1燃料電池(FuelCell)的基本原理燃料可以是H2、CH4、CH3OH、CO等。氧化劑一般是氧氣或空氣。電解質(zhì)可為水溶液（H2SO4、H3PO4、NaOH等）、熔融鹽（NaCO3、K2CO3）、固體聚合物、固體氧化物等。1.1燃料電池(FuelCell)的基本原理1.2燃料電池(FuelCell)的特點(diǎn)發(fā)電時(shí)，燃料和氧化劑由電池外部分別供給電池的陽極和陰極，陽極發(fā)生燃料的氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生氧化劑的還原反應(yīng)，電解質(zhì)將兩電極隔開，導(dǎo)電離子在電解質(zhì)內(nèi)移動(dòng)，電子通過外電路做功并構(gòu)成電的回路。與普通電池不同的是，只要能保證燃料和氧化劑的供給，燃料電池就可以連續(xù)不斷地產(chǎn)生電能。

1.2燃料電池(FuelCell)的特點(diǎn)它的燃料和氧化劑不是儲(chǔ)存在電池內(nèi)，而是儲(chǔ)存在電池外的儲(chǔ)罐中。當(dāng)電池發(fā)電時(shí)，要連續(xù)不斷地向電池內(nèi)送入燃料和氧化劑，排出反應(yīng)產(chǎn)物，同時(shí)也要排除一定的廢熱，以維持電池工作溫度的恒定。FC本身只決定輸出功率的大小，其儲(chǔ)存能量則由儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐內(nèi)的燃料與氧化劑的量決定。1.2燃料電池(FuelCell)的特點(diǎn)電解質(zhì)的作用是輸送燃料電極和氧電極在電極反應(yīng)中所產(chǎn)生的離子，并能阻止電極間直接傳遞電子隔膜的作用是傳導(dǎo)離子、阻止電子在電極間直接傳遞和分隔氧化劑與還原劑。因此，隔膜必須是抗電解質(zhì)腐蝕和絕緣的物質(zhì)，并具有良好的耐潤濕性1.3燃料電池系統(tǒng)組成

單獨(dú)的燃料電池堆是不能發(fā)電并用于汽車的，它必需和燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)和一個(gè)能使上述各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)組成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，簡稱燃料電池系統(tǒng)。1.3燃料電池系統(tǒng)組成1燃料電池組2輔助裝置和關(guān)鍵設(shè)備：

(1)燃料和燃料儲(chǔ)存器（包括碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化的重整器）(2)氧化劑和氧化劑存儲(chǔ)器(3)供給管道系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)（包括氣體輸送泵、熱交換器、氣體分離和凈化裝置）(4)水和熱管理系統(tǒng)1.4重整器重整器的課題的提出

氫能汽車面世之初，均采用高壓氣瓶、液氫罐、儲(chǔ)氫合金罐儲(chǔ)運(yùn)攜帶氫燃料,存在體積、質(zhì)量大,成本高，氫氣泄露等不安全因素。從而提出了研制開發(fā)車用重整器的課題,實(shí)現(xiàn)氫能汽車象燃油汽車一樣攜帶油品燃料等碳?xì)浠衔镱惾剂?通過重整器轉(zhuǎn)變成氫氣使用,邊重整邊使用,無氫氣充加儲(chǔ)存環(huán)節(jié),提高了安全性。1.4重整器的定義所謂重整——通過熱(化學(xué))解水減少燃料中的碳含量,提高含氫量,直至把有機(jī)燃料轉(zhuǎn)變成無機(jī)燃料——?dú)錃?。目前世界上氫氣產(chǎn)量中絕大部分仍利用礦物燃料通過熱(化學(xué))解水制氫。1.4燃料電池電動(dòng)車車載重整器工作流程

典型的甲醇重整器由原料供應(yīng)單元、甲醇重整單元、熱循環(huán)單元和氣體凈化單元組成。由于甲醇的重整反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，所以必須提供熱能使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。熱能的提供有兩種方法：一種是燃燒一部分燃料，通常利用催化燃燒技術(shù)使燃料燃燒更加完全；另一種是利用甲醇的部分氧化反應(yīng)。因此，重整器中需要配置兩種催化劑，一種催化劑起甲醇重整作用，另一種催化劑具有催化氧化或催化燃燒的作用。重整部分2燃料電池的分類

燃料電池依據(jù)其電解質(zhì)的性質(zhì)而分為不同的類型，每類燃料電池需要特殊的材料和燃料，且使用于其特殊的應(yīng)用。按電解質(zhì)劃分，燃料電池大致上可分為五類：

1、堿性燃料電池（alkalinefuelcell--AFC）

2、質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell--PEMFC）

3、磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell--PAFC）

4、溶化的碳酸鹽燃料電池(moltencarbonatefuelcell--MCFC)5、固態(tài)氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell--SOFC）燃料電池實(shí)際電動(dòng)勢與理論電動(dòng)勢的比較2.1堿性燃料電池（alkalinefuelcell--AFC）

堿性燃料電池是該技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要為空間任務(wù)，包括航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水。堿性燃料電池的設(shè)計(jì)基本與質(zhì)子交換膜燃料電池相似，但其使用的電解質(zhì)為水溶液或穩(wěn)定的氫氧化鉀基質(zhì)。陽極反應(yīng)：陰極反應(yīng)：堿性燃料電池的工作溫度大約80℃。因此啟動(dòng)也很快，但其電力密度卻比質(zhì)子交換膜燃料電池的密度低十來倍，在汽車中使用顯得笨拙。不過，它們是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的，因此可用于小型的固定發(fā)電裝置。堿性燃料電池原理圖2.1.1堿性燃料電池性能的影響因素氧化劑

采用純氧時(shí)其性能優(yōu)于采用空氣工作。原因是：空氣中惰性氣體影響電極性能；空氣中的其他雜質(zhì)也會(huì)影響電池性能，特別是CO2。CO2在堿性介質(zhì)中容易被吸收生成碳酸鹽，堵塞電解質(zhì)通路和多孔電極的孔隙。因此以空氣作氧化劑的AFC，須通過預(yù)處理除去空氣中的CO2溫度

AFC的正常工作溫度為70℃，若使其在室溫下工作，功率將降低一半。從室溫到50-60℃，功率隨電解質(zhì)溫度的增加幾乎是線性增加2.1.1堿性燃料電池性能的影響因素壓力

提高壓力對電池的性能有利，可使電池更為緊湊。但增加壓力對電池的電化學(xué)性能改善不大，并且由于電池在較高的壓力下工作時(shí)，需使用機(jī)械強(qiáng)度高的材料，使電池的重量增大。注意：當(dāng)采用增加反應(yīng)物壓力的措施時(shí)，應(yīng)始終保持氣體和電解質(zhì)之間的壓力差在電極及附件所能承受的范圍內(nèi)。若兩側(cè)氣體同時(shí)涌入電解質(zhì)區(qū)，則可能在電解質(zhì)區(qū)發(fā)生氫氧混合產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)。2.1.1堿性燃料電池性能的影響因素2.1.2堿性燃料電池的優(yōu)勢能量轉(zhuǎn)化效率高。一般堿性燃料電池的輸出電壓選定在0.8-0.95V，其能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)60%-70%。這是由于在堿性介質(zhì)中氧的還原反應(yīng)在相同電催化劑上的反應(yīng)速度比在其他電池中高。可用非鉑電催化劑，如雷尼鎳、硼化鎳等。可降低成本，也不受鉑資源的限制。與PAFC相比，成本僅為其的1/5鎳在堿性介質(zhì)和電池的工作溫度下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此可采用鎳板或鍍鎳金屬板作雙極板2.1.3堿性燃料電池的不足采用空氣作氧化劑，必須清除空氣中的CO2當(dāng)以烴類的重整氣作燃料時(shí)，也必須去除氣體中的CO2堿性電池均采用KOH作電解質(zhì)，工作溫度低于100℃，需要采用專門的方法排出電池進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所生成的水和解決回路中的散熱問題，以維持水平衡。排水方法及控制均較復(fù)雜。與PAFC相比，堿性電池壽命短。2.2磷酸燃料電池

（phosphoricacidfuelcell--PAFC）

磷酸燃料電池是當(dāng)前商業(yè)化發(fā)展得最快的一種燃料電池。使用液體磷酸為電解質(zhì)。磷酸燃料電池的工作溫度要位于150-200℃左右，但仍需電極上的白金催化劑來加速反應(yīng)。由于其工作溫度較高，所以其陰極上的反應(yīng)速度要比質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極的速度快。且較高的工作溫度也使其對雜質(zhì)的耐受性較強(qiáng)。磷酸燃料電池的效率比其它燃料電池低，約為40%，其加熱的時(shí)間也比質(zhì)子交換膜燃料電池長。優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，穩(wěn)定，電解質(zhì)揮發(fā)度低等。磷酸燃料電池可用作公共汽車的動(dòng)力。陽極反應(yīng)：陰極反應(yīng)：總反應(yīng)：磷酸燃料電池（a為單電池，b為電池組）磷酸燃料電池的工作條件工作溫度：180~210℃，電池組在較高的溫度下的效率低于較低溫度下的效率工作壓力：小容量電池組采用常壓，大容量電池組用幾百kPa。電池組的效率隨壓力的增大而增加冷卻物質(zhì)：空氣、水、絕緣液體（油等）燃料利用率（發(fā)生氧化反應(yīng)的燃料與進(jìn)入電池內(nèi)的燃料體積百分比）：70%~80%氧化劑利用率（發(fā)生還原反應(yīng)的氧化劑與進(jìn)入電池內(nèi)的氧化劑體積百分比）：50%~60%反應(yīng)氣體組成：典型的重整氣體磷酸燃料電池的性能及影響因素電池性能：工作電壓均選在0.8V以下，若高則電催化劑鉑會(huì)有極微量的溶解溫度和含氧量：隨著溫度和含氧量的提高，電池性能提高電池性能與溫度和含氧量的關(guān)系磷酸燃料電池的性能及影響因素CO對電池性能的影響：CO對電池的性能影響很大，原因是CO具有抑制鉑電極的電化學(xué)活性的功能。硫化物對電池性能的影響：化石燃料中的硫化氫、硫等均會(huì)毒化鉑催化劑。氮化物的影響：N2為無害的稀釋氣體，但NH3、HCN、NOx等對電池性能有副作用2.3熔融碳酸鹽燃料電池

(moltencarbonatefuelcell--MCFC)

熔融碳酸鹽燃料電池與上述討論的燃料電池差異較大，這種電池不是使用熔化的鋰鉀碳酸鹽就是使用鋰鈉碳酸鹽作為電解質(zhì)。當(dāng)溫度加熱到650℃時(shí)，這種鹽就會(huì)溶化，產(chǎn)生碳酸根離子，從陰極流向陽極，與氫結(jié)合生成水，二氧化碳和電子。電子然后通過外部回路返回到陰極，在這過程中發(fā)電。這種電池工作的高溫能在內(nèi)部重整諸如天然氣和石油的碳?xì)浠衔?，在燃料電池結(jié)構(gòu)內(nèi)生成氫。白金催化劑可用廉價(jià)的一類鎳金屬代替，其產(chǎn)生的多余熱量還可被聯(lián)合熱電廠利用。這種燃料電池的效率最高可達(dá)60%。這種電池需要較長的時(shí)間方能達(dá)到工作溫度，因此不能用于交通運(yùn)輸。

由電極反應(yīng)可知，熔融碳酸鹽燃料電池的導(dǎo)電離子為CO32-。在陰極，CO2為反應(yīng)物，在陽極CO2為產(chǎn)物，這是熔融碳酸鹽燃料電池與其他類型燃料電池的最大區(qū)別。

在電池工作中，CO2構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)。為確保電池穩(wěn)定連續(xù)地工作，必須使在陽極產(chǎn)生的CO2返回到陰極。

陽極反應(yīng)：陰極反應(yīng)：總反應(yīng)：構(gòu)成熔融碳酸鹽燃料電池的關(guān)鍵部件為：陽極、陰極、隔膜和集流板或雙極板隔膜：強(qiáng)度高、耐高溫熔鹽腐蝕、熔鹽電解質(zhì)浸入后能夠阻擋氣體通過、良好的離子導(dǎo)電性能。早期用氧化鎂，有微溶，隔膜易破現(xiàn)象被淘汰?，F(xiàn)用偏鋁酸鋰（LiAlO2）2.3熔融碳酸鹽燃料電池

(moltencarbonatefuelcell--MCFC)電極與隔膜必須有適宜的孔匹配陽極最早采用銀和鉑。為降低成本，現(xiàn)改用Ni，主要是Ni-Al合金陰極催化劑普遍采用NiO，但其在電池工作過程中會(huì)緩慢溶解，氧化鎳中的Ni會(huì)被經(jīng)電池隔膜滲透過來的氫還原為金屬Ni而沉積于隔膜中，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致電池短路。正開發(fā)偏鈷酸鋰（LiCoO2）、偏錳酸鋰（LiMnO2）、CuO及CeO2等新的陰極電催化劑2.3熔融碳酸鹽燃料電池

(moltencarbonatefuelcell--MCFC)雙極板分隔氧化劑和還原劑，并提供氣體的流動(dòng)通道，同時(shí)起集流導(dǎo)電作用。常用不銹鋼或各種鎳基合金制成。為減緩腐蝕，陽極側(cè)常鍍鎳2.3熔融碳酸鹽燃料電池

(moltencarbonatefuelcell--MCFC)2.3熔融碳酸鹽燃料電池性能的影響因素工作壓力：提高壓力有利于電池的性能。但也會(huì)有副反應(yīng)發(fā)生溫度：電池性能隨溫度提高而提高。但當(dāng)溫度大于650℃時(shí)，性能提高較慢。650℃被認(rèn)為是MCFC的最佳工作溫度反應(yīng)氣體組成及利用率：影響較難分析氧化氣體：陰極反應(yīng)消耗CO2和O2的比例為2:1，在這一比例時(shí)陰極反應(yīng)性能最佳。燃料氣體：H2和H2O摩爾數(shù)比越大，電動(dòng)勢越高硫、鹵化物、含氮化合物會(huì)影響MCFC的性能和壽命2.3熔融碳酸鹽燃料電池需解決的關(guān)鍵問題陰極的熔解陽極的蠕變?nèi)埯}電解質(zhì)對電池雙極板材料的腐蝕電解質(zhì)的流失

2.4固態(tài)氧化物燃料電池

（solidoxidefuelcell--SOFC）

固態(tài)氧化物燃料電池工作溫度比溶化的碳酸鹽燃料電池的溫度還要高，其工作溫度位于800-1000℃之間，適于大型發(fā)電廠及工業(yè)應(yīng)用。在這種燃料電池中，當(dāng)氧離子從陰極移動(dòng)到陽極氧化燃料氣體（主要是氫和一氧化碳的混合物）使便產(chǎn)生能量。陽極生成的電子通過外部電路移動(dòng)返回到陰極上，減少進(jìn)入的氧，從而完成循環(huán)陽極反應(yīng)：

陰極反應(yīng):總反應(yīng)：

固態(tài)氧化物燃料電池對目前所有燃料電池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于它們使用固態(tài)的電解質(zhì)，這種電池比溶化的碳酸鹽燃料電池更穩(wěn)定。

固態(tài)氧化物燃料電池的效率約為60%左右，具有為車輛提供備用動(dòng)力的潛力。

2.4固態(tài)氧化物燃料電池

（solidoxidefuelcell--SOFC）2.4固態(tài)氧化物燃料電池的組成常見的形式有平板式、管式和瓦楞式電解質(zhì)：一類為螢石結(jié)構(gòu)的固體氧化物電解質(zhì)，如Y2O3、CaO等摻雜的氧化鋯、氧化釷、氧化鈰、三氧化二鉍等；一類為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的固體氧化物電解質(zhì)，如摻雜的鎵酸鑭（LaGaO3）。目前在固體氧化物燃料電池中廣泛采用的是摻雜8%的Y2O3的氧化鋯電解質(zhì)陰極：鈣鈦礦型復(fù)合氧化物具有很好的氧還原電催化活性，省去了鉑。具有良好的電催化活性和電子導(dǎo)電性外，必須與固體氧化物電解質(zhì)具有化學(xué)及熱的相容性，即在電池工作溫度下不能與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而且其熱膨脹系數(shù)也應(yīng)接近。目前廣泛采用的是鍶摻雜的錳酸鑭陽極：通常為鎳與電解質(zhì)材料混合后制成的金屬陶瓷電極。2.4固態(tài)氧化物燃料電池的組成雙極連接板與密封材料：雙極連接板在SOFC中起連接相鄰單電池陰極和陽極的作用。在高溫和氧化、還原氛圍下具有良好的機(jī)械與化學(xué)穩(wěn)定性、高的導(dǎo)電率和與電解質(zhì)隔膜有相近的熱膨脹系數(shù)。高溫密封材料主要采用玻璃纖維2.4固態(tài)氧化物燃料電池的組成自由能損失大其開路電壓比MCFC低100mV，發(fā)電效率低6%左右，但當(dāng)部分效率損失由SOFC高質(zhì)量的余熱補(bǔ)償后，效率可達(dá)70%工作溫度高對材料要求高，中溫（650~800℃）SOFC正在研究中成本過高2.4固態(tài)氧化物燃料電池的缺點(diǎn)壓力和溫度反應(yīng)氣體組成及利用率燃料氣體燃料利用率對電壓的影響雜質(zhì)電流密度2.4固態(tài)氧化物燃料電池的性能影響因素2.5質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

protonexchangemembranefuelcell

質(zhì)子交換膜燃料電池的關(guān)鍵材料與部件為：1)電催化劑；2)電極（陰極與陽極）；3）質(zhì)子交換膜；4）雙極板。工作時(shí)，氫在陽極被轉(zhuǎn)變成氫離子的同時(shí)釋放出電子，電子通過外電路回到電池陰極，與此同時(shí)，氫離子則通過電池內(nèi)部高分子膜電解質(zhì)到達(dá)陰極。在陰極，氧氣轉(zhuǎn)變?yōu)檠踉?，氧原子得到從陽極傳過來的電子變成氧離子，和氫離子結(jié)合生成水。質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理示意圖

在電極上的這些反應(yīng)如下：陽極：陰極：整體：質(zhì)子交換膜燃料電池的工作溫度約為80℃。在這樣的低溫下，電化學(xué)反應(yīng)能正常地緩慢進(jìn)行，通常用每個(gè)電極上的一層薄的白金進(jìn)行催化。每個(gè)電池能產(chǎn)生約0.7伏的電，足夠供一個(gè)照明燈泡使用。驅(qū)動(dòng)一輛汽車則需要約300伏的電力。為了得到更高的電壓，將多個(gè)單個(gè)的電池串聯(lián)起來便可形成人們稱做的燃料電池存儲(chǔ)器。2.5質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)

protonexchangemembranefuelcell

質(zhì)子交換膜的作用是雙重的：一是作為電解質(zhì)提供氫離子通道，二是作為隔膜隔離兩極反應(yīng)氣體膜脫水將會(huì)使氫離子形成水合物困難，燃料電池的內(nèi)阻大幅上升；水分過多則會(huì)淹沒電極。兩者都會(huì)導(dǎo)致電池性能下降。因此，優(yōu)化膜的質(zhì)子和水傳輸性能及適當(dāng)?shù)乃芾硎潜ＷC電池性能的關(guān)鍵最早用于PEMFC的聚合物電解質(zhì)是碳?xì)浠衔镄?，后又使用氟代聚苯乙烯（如全氟聚苯乙烯磺酸）膜，是電池的壽命提高?~5倍。現(xiàn)廣泛使用的是杜邦公司生產(chǎn)的一種全氟磺酸膜500kw質(zhì)子交換膜燃料電池2.5質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)及研發(fā)現(xiàn)狀

燃料電池種類較多，PEMFC以其工作溫度低、啟動(dòng)快、能量密度高、壽命長、重量輕、無腐蝕性、不受二氧化碳的影響，能量來源比較廣泛等優(yōu)點(diǎn)特別適宜作為便攜式電源、機(jī)動(dòng)車電源和中、小型發(fā)電系統(tǒng)。由于膜的結(jié)構(gòu)、工藝和生產(chǎn)批量等問題的存在，到目前為止，質(zhì)子交換膜的成本是非常高的，約為每平米600美元。其中膜的成本占20%～30%。因此降低膜的成本迫在眉睫。據(jù)研究計(jì)劃報(bào)道，其第三代質(zhì)子交換膜BAM3G，價(jià)格將為每平米50美元。2.5PEMFC性能的影響因素工作溫度和壓力電池電壓隨工作壓力升高而升高，但隨溫度的變化不能簡單地認(rèn)為隨溫度上升而成比例增加反應(yīng)氣體條件包括純氫、改質(zhì)氣體、CO濃度及氧化劑種類。交換膜的厚度盡量采用超薄膜，減少內(nèi)阻電池反應(yīng)氣增濕對電池性能的影響氫離子是以水合物（H3O+）的形式穿過電解質(zhì)。電解質(zhì)的電導(dǎo)強(qiáng)烈地依賴于質(zhì)子交換膜中水的含量。反應(yīng)氣體增濕不足或過度增濕，電池的輸出電壓都會(huì)下降氧化劑以純氧為氧化劑時(shí)電池性能優(yōu)于以空氣中的氧為氧化劑2.5PEMFC面臨的主要課題質(zhì)子交換膜的耐高溫性、降低成本、降低鉑使用量減低隔板成本燃料的攜帶及制氫技術(shù)項(xiàng)目現(xiàn)狀主要課題目標(biāo)電解質(zhì)（質(zhì)子交換膜）多為全氟磺酸型，傳導(dǎo)率0.1~0.2S/cm，膜厚20~50微米，耐熱性為80℃提高機(jī)械強(qiáng)度和耐久性提高耐熱性濕度管理容易化降低價(jià)格汽車用5000h，3~6萬次固定用4000h，4000次低加濕或不加濕耐溫120~150℃電極催化劑鉑用量：2~4g/kW耐CO極限：10-5（體積分?jǐn)?shù)）減少鉑用量提高抗CO中毒能力鉑用量：0.2~0.4g/kW耐CO極限：(1~5)×10-5（體積分?jǐn)?shù)）隔板碳石墨：傳導(dǎo)率200S/cm，密度2g/cm3,厚度1~5mm減少厚度和接觸阻抗提高強(qiáng)度和耐腐蝕性1mm以下重整器甲醇用重整器重整效率在80%以上容量40~150L/臺(tái)碳?xì)湎盗兄卣魈岣吣途眯蕴岣咝市⌒?、輕量化提高啟動(dòng)性5000h以上啟動(dòng)停止3~5萬次/10年30L/臺(tái)響應(yīng)時(shí)間數(shù)秒以內(nèi)燃料電池容量及應(yīng)用范圍4燃料電池的現(xiàn)狀

目前，使用燃料電池面臨的主要問題：

1燃料問題氧氣可以直接從空氣中獲得，比較省力；氫氣則需要消耗電能以電解水或在催化劑的作用下重組碳?xì)浠衔镞@兩種方法獲取。但也有人認(rèn)為氫可以從天然氣中產(chǎn)生，其成本同生產(chǎn)汽油相當(dāng)。如將燃料電池高效率因素考慮進(jìn)來，使用氫將比汽油更加經(jīng)濟(jì)。

2安全問題氫氣是易燃?xì)怏w，使用時(shí)要防止泄露，爆炸等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。阻礙燃料電池推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題還有成本高、壽命短、體積大等，歸根結(jié)底還是技術(shù)問題。5燃料電池汽車

（FCEV-FuelCellElectricVehicle)基本結(jié)構(gòu)燃料電池汽車是由電池和燃料電池提供電力的車輛。燃料電池把氫氣和氧氣轉(zhuǎn)化成電能，只產(chǎn)生水和熱。摒棄了復(fù)雜的變速箱等動(dòng)力傳動(dòng)裝置，4臺(tái)由燃料電池驅(qū)動(dòng)的電機(jī)直接同車輪相連推動(dòng)汽車行走。5.1燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃料電池汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有四種結(jié)構(gòu):(1)純?nèi)剂想姵?PFC)PFC只有燃料電池一個(gè)能量源。這種結(jié)構(gòu)中燃料電池的額定功率大，成本高，對冷起動(dòng)時(shí)間、耐起動(dòng)循環(huán)次數(shù)、負(fù)荷變化的響應(yīng)等提出了很高的要求。

(2)燃料電池和輔助電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(FC＋B)FC＋B有燃料電池和輔助動(dòng)力裝置(蓄電池或超級(jí)電容)兩個(gè)動(dòng)力源。通常燃料電池系統(tǒng)輸出車輛常規(guī)速度行駛時(shí)所需的平均功率，而輔助動(dòng)力裝置用來提供峰值功率以補(bǔ)充車輛在加速或爬坡時(shí)燃料電池輸出功率能力的不足。這樣動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性增強(qiáng)，運(yùn)行狀態(tài)比較穩(wěn)定，因而它的總體運(yùn)行效率得到提高。

(3)燃料電池和超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(FC＋C)。

(4)燃料電池加輔助電池加超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(FC＋B＋C)。

燃料電池混合動(dòng)力(FC＋B)系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

根據(jù)這一連接形式的不同可將動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為兩類:直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng),燃料電池與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間直接相連;間接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng),燃料電池與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間通過DC/DC變換器間接相連。

間接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上圖中的電力、電子裝置部分包括DC/DC變換器和電機(jī)控制器等，它們之間不同的布置方式會(huì)導(dǎo)致燃料電池和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間連接形式的不同。直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.2燃料電池汽車的特點(diǎn)1、效率高燃料電池汽車路試時(shí)可以達(dá)到40-50%的效率而普通汽車只有10~16%。燃料電池汽車總效率比混合動(dòng)力汽車也要高。2、環(huán)保燃料電池電動(dòng)汽車僅排放熱和水——高效、環(huán)境友好的清潔汽車。3、可持續(xù)發(fā)展燃料電池可節(jié)省石油。目前令全世界對石油的依存度，超過警戒線30%，預(yù)計(jì)2020年