燃料電池燃料電池概述

燃料電池（FuelCell）是一種不經(jīng)過燃燒直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料（如氫氣）和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的高效發(fā)電裝置。

電池工作時(shí)，燃料和氧化劑由外部供應(yīng)，進(jìn)行反應(yīng)。原則上只要反應(yīng)物不斷輸入，反應(yīng)產(chǎn)物不斷排除，燃料電池就能連續(xù)的發(fā)電。

燃料電池作為新一代汽車動(dòng)力源，已被世界各大工業(yè)國(guó)視為戰(zhàn)略產(chǎn)品。燃料電池的分類1.按燃料處理方式的不同2.按電解質(zhì)類型的不同直接式燃料電池按溫度的不同又可分為低溫、中溫和高溫3種類型。間接式燃料電池包括重整式燃料電池和生物燃料電池。再生式燃料電池中有光、電、熱燃料電池等。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）堿性燃料電池（AFC）磷酸燃料電池（PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）固體氧化物燃料電池（SOFC）質(zhì)子交換膜燃料電池的結(jié)構(gòu)質(zhì)子交換膜燃料電池由質(zhì)子交換膜、催化劑、電極、膜電極、集流板等組成。電極陽(yáng)極擴(kuò)散層陰極擴(kuò)散層陽(yáng)極催化劑陰極催化劑集流板陽(yáng)極集流板陰極集流板質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在原理上相當(dāng)于水電解的“逆”裝置，陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，質(zhì)子交換膜為電解質(zhì)。PEMFC工作原理電化學(xué)反應(yīng)為：陽(yáng)極：2H2→4H++4e-

陰極：O2+4H++4e-→?2H2O總反應(yīng)：2H2+O2=2H2O?質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理質(zhì)子交換膜燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的具體過程為：1）高壓氫罐向陽(yáng)極輸入氫氣；2）氫分子（H2）在陽(yáng)極催化劑（鉑金）作用下離解成氫離子（H+）和電子（e-）；3）氫離子（H+）穿過質(zhì)子交換膜向陰極方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)電子（e-）因通不過質(zhì)子交換膜而由外部電路流向陰極；4）空氣壓縮機(jī)向陰極輸入氧氣（O2），氧氣（O2）在陰極催化劑（鉑金）作用下離解成氧原子（O）；5）通過外部電路流向陰極的電子（e-）、通過質(zhì)子交換膜的氫離子（H+）與氧原子（O）在陰極完成電化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合生成水（H2O），所釋放熱量由散熱器帶出；6）電子（e-）流動(dòng)形成的外部電路產(chǎn)生輸出電壓，并通過DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成高電壓，供給汽車行駛。質(zhì)子交換膜燃料電池特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)能力轉(zhuǎn)化效率高綠色環(huán)保，無(wú)污染噪聲小維護(hù)方便過載能力強(qiáng)氫來源廣泛缺點(diǎn)制造成本和使用成本高對(duì)氫的純度要求高堿性燃料電池的結(jié)構(gòu)堿性燃料電池單體結(jié)構(gòu)

堿性燃料電池是以堿性溶液氫氧化鉀為電解質(zhì)，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，是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池，其單體結(jié)構(gòu)如圖所示：

陽(yáng)極通入氫氣，也叫氫電極陰極通入氧氣，也叫氧電極堿性燃料電池的工作原理堿性燃料電池單體的工作原理

電化學(xué)反應(yīng)為：

陽(yáng)極反應(yīng)：2H2

+4OH-

→4H2O+4e-陰極反應(yīng)：O2

+2H2O+4e-

→4OH-

總反應(yīng)：2H2+O2→2H2O陽(yáng)極：氫氣與氫氧根離子在催化劑作用下，發(fā)生氧化反應(yīng)生成水和電子陰極：氧氣與水和電子發(fā)生還原反應(yīng)，生成氫氧根離子堿性燃料電池的特點(diǎn)（1）堿性燃料電池具有較高的效率（50%～55%）。（2）工作溫度大約80℃，因此，它的啟動(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幾倍。（3）性能可靠，可用非貴金屬作催化劑。（4）是燃料電池中生產(chǎn)成本最低的一種電池。（5）是技術(shù)發(fā)展最快的一種電池，主要應(yīng)用于空間任務(wù)，為航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水。（6）使用具有腐蝕性的液態(tài)電解質(zhì)，具有一定的危險(xiǎn)性和容易造成環(huán)境污染。磷酸燃料電池的結(jié)構(gòu)磷酸燃料電池（PAEC）是以磷酸為導(dǎo)電電解質(zhì)的酸性燃料電池，也是目前燃料電池中唯一商業(yè)化運(yùn)行的燃料電池。磷酸燃料電池的電池堆結(jié)構(gòu)示意圖

磷酸燃料電池的電池片由燃料極、電解質(zhì)層和空氣極構(gòu)成，燃料極和空氣極都是由基材及肋條板催化劑層所組成，是兩塊涂有催化劑的多孔碳素板電極。電解質(zhì)層是用來保持磷酸的，它是經(jīng)濃磷酸浸泡的碳化硅系電解質(zhì)保持板。為降低電堆內(nèi)部的熱量，在每個(gè)電池片中還疊加有冷卻板。

將數(shù)枚單電池片進(jìn)行疊加，再加上用于上下固定的構(gòu)件、供氣用的集合管等構(gòu)成磷酸燃料電池的電池堆。磷酸燃料電池的工作原理

燃料以氫氣為例，將氫氣送入燃料堆的陽(yáng)極（燃料極），同時(shí)將氧氣送入到燃料堆的陰極（空氣極）。氫氣在催化劑作用下被氧化成為質(zhì)子，氫質(zhì)子和水結(jié)合成水合質(zhì)子，同時(shí)釋放出自由電子，電子通過外電路向陰極運(yùn)動(dòng)，水合質(zhì)子通過磷酸電解質(zhì)向陰極移動(dòng)，在陰極上，電子、水合質(zhì)子和氧氣在催化劑的作用下生成水分子。電極反應(yīng)表達(dá)如下所示。陽(yáng)極：2H2+4e-→4H+

陰極：O2+4H+→2H2O+4e-總反應(yīng)：O2+2H2→2H2O磷酸燃料電池的工作原理圖磷酸燃料電池的特點(diǎn)（1）磷酸燃料電池具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、電解質(zhì)揮發(fā)度低等優(yōu)點(diǎn)，目前已有許多發(fā)電能力為0.2~20MW的工作裝置被安裝在世界各地，為醫(yī)院、學(xué)校和小型電站提供電力。（2）磷酸燃料電池的工作溫度比質(zhì)子交換膜燃料電池和堿性燃料電池的工作溫度略高，為150~200℃，較高的溫度使其對(duì)雜質(zhì)的耐受性較強(qiáng)，當(dāng)其反應(yīng)物中含有1%~2%的一氧化碳時(shí)，磷酸燃料電池依舊可以正常工作。（3）磷酸燃料電池高溫度運(yùn)行會(huì)加大能量的損耗，因此這種燃料電池很難應(yīng)用在轎車上。燃料電池的發(fā)展前景

氫燃料電池早在20世紀(jì)60年代就因其體積小、容量大的特點(diǎn)而成功應(yīng)用于航天領(lǐng)域。進(jìn)入70年代后，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，氫燃料電池也逐步被運(yùn)用于發(fā)電和汽車?，F(xiàn)如今，伴隨各類電子智能設(shè)備的崛起以及新能源汽車的風(fēng)靡，氫燃料電池有了更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

從市場(chǎng)的觀點(diǎn)來看，燃料電池因其穩(wěn)定性和無(wú)污染的特質(zhì)，既適宜用于集中發(fā)電，建造大、中型電站和區(qū)域性分散電站，也可用作各種規(guī)格的分散電源、電動(dòng)車、不依賴空氣推進(jìn)的潛艇動(dòng)力源和各種可移動(dòng)電源，同時(shí)也可作為手機(jī)、筆記本電腦等供電的優(yōu)選小型便攜式電源。燃料電池作通訊基站備用電源氫燃料電池汽車燃料電池電動(dòng)汽車燃料電池汽車概念以燃料電池系統(tǒng)作為動(dòng)力源或主動(dòng)力源的汽車稱為燃料電池汽車（fuelcellelectricvehicle，F(xiàn)CEV）。燃料電池汽車的分類燃料電池汽車常見的分類方式有：2按主要燃料種類不同1按“多電源”配置不同燃料電池電動(dòng)汽車的分類1、按照“多電源”配置不同分類（1）純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)（PFC）的FCEV（2）燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)（FC+B）的FCEV（3）燃料電池與超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)（FC+C）的FCEV（4）燃料電池與輔助蓄電池和超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)（FC+B+C）

的FCEV燃料電池電動(dòng)汽車的分類純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)的燃料電池電動(dòng)汽車

純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)的燃料電池電動(dòng)汽車只有燃料電池一個(gè)動(dòng)力源，汽車的所有功率負(fù)荷都由燃料電池提供。驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)系燃料電池系統(tǒng)燃料電池電動(dòng)汽車的分類燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的燃料電池電動(dòng)汽車在該動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，燃料電池和蓄電池一起為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動(dòng)系，從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)；在汽車制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，為蓄電池充電。驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)系燃料電池系統(tǒng)蓄電池燃料電池電動(dòng)汽車的分類燃料電池與超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的燃料電池電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)系燃料電池系統(tǒng)超級(jí)電容這種結(jié)構(gòu)形式與燃料電池+蓄電池結(jié)構(gòu)相似，只是把蓄電池?fù)Q成超級(jí)電容。相對(duì)于蓄電池，超級(jí)電容充放電效率高，能量損失小，循環(huán)壽命長(zhǎng)，制動(dòng)時(shí)能量再生能量回收率高，正常工作溫度范圍寬；但是超級(jí)電容的能量密度較小，能量存儲(chǔ)有限，峰值功率持續(xù)時(shí)間短，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。燃料電池電動(dòng)汽車的分類燃料電池與輔助蓄電池和超級(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的燃料電池電動(dòng)汽車在該動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，燃料電池、蓄電池和超級(jí)電容一起為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供能量，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能傳給傳動(dòng)系，從而驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)；在汽車制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，蓄電池和超級(jí)電容將儲(chǔ)存回饋的能量。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系燃料電池系統(tǒng)蓄電池超級(jí)電容燃料電池電動(dòng)汽車的分類在這幾種配置中，F(xiàn)C+B+C組合被認(rèn)為能夠最大限度滿足整車的起動(dòng)、加速、制動(dòng)的動(dòng)力和效率需求，但成本最高，結(jié)構(gòu)和控制也最為復(fù)雜。目前燃料電池電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)是FC+B組合。這是因?yàn)樗哂幸韵绿攸c(diǎn)：（1）燃料電池單獨(dú)或與動(dòng)力電池共同提供持續(xù)功率，而且在車輛起動(dòng)、爬坡和加速等峰值功率需求時(shí)，動(dòng)力電池提供峰值功率；（2）在車輛起步的時(shí)候和功率需求量不大的時(shí)候，蓄電池可以單獨(dú)輸出能量；（3）蓄電池技術(shù)比較成熟，可以在一定程度上彌補(bǔ)燃料電池技術(shù)上的不足。燃料電池電動(dòng)汽車的分類2、按照主要燃料種類不同分類直接燃料電池電動(dòng)汽車重整燃料電池電動(dòng)汽車直接燃料電池電動(dòng)汽車的燃料是氫氣。重整燃料電池電動(dòng)汽車的燃料主要有天然氣、甲醇、甲烷、液化石油氣等，經(jīng)過重整后產(chǎn)生的氫氣作為燃料電池的燃料。甲醇重整燃料電池電動(dòng)汽車燃料電池電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)

燃料電池電動(dòng)汽車主要由燃料電池、高壓儲(chǔ)氫罐、輔助動(dòng)力源、DC/DC轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和整車控制器等組成。整車控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)DC/DC轉(zhuǎn)換器燃料電池高壓儲(chǔ)氫罐輔助動(dòng)力源電機(jī)控制器燃料電池電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)燃料電池：

燃料電池是燃料電池電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿υ?，它是一種不燃燒燃料而直接以電化學(xué)反應(yīng)方式將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿母咝Оl(fā)電裝置。燃料電池發(fā)電的基本原理是：

電池的陽(yáng)極輸入氫氣，氫分子在陽(yáng)極催化劑作用下被離解成為氫離子（H＋）和電子（e-）、氫離子（H＋）穿過燃料電池的電解質(zhì)層向陰極方向運(yùn)動(dòng)，電子（e-）因通不過電解質(zhì)層而由一個(gè)外部電路流向陰極；在電池陰極輸入氧氣，氧氣在陰極催化劑作用下離解成為氧原子，與通過外部電路流向陰極的電子（e-）和燃料穿過電解質(zhì)的氫離子（H＋）結(jié)合生成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的水，完成電化學(xué)反應(yīng)，放出熱量。這種電化學(xué)反應(yīng)與氫氣在氧氣中發(fā)生的劇烈燃燒反應(yīng)是完全不同的，只要陽(yáng)極不斷輸入氫氣，陰極不斷輸入氧氣，電化學(xué)反應(yīng)就會(huì)連續(xù)不斷地進(jìn)行下去，電子（e-）就會(huì)不斷通過外部電路流動(dòng)形成電流，從而連續(xù)不斷地向汽車提供電力。燃料電池電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)高壓儲(chǔ)氫罐：高壓儲(chǔ)氫罐是氣態(tài)氫的儲(chǔ)存裝置，用于給燃料電池供應(yīng)氫氣。為保證燃料電池電動(dòng)汽車一次充氣有足夠的續(xù)駛里程，就需要多個(gè)高壓儲(chǔ)氣瓶來儲(chǔ)存氣態(tài)氫氣。一般轎車需要2~4個(gè)高壓儲(chǔ)氣罐，大客車上需要5~10個(gè)高壓儲(chǔ)氣罐。燃料電池電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)輔助動(dòng)力源：根據(jù)FCEV的設(shè)計(jì)方案不同，其所采用的輔助動(dòng)力源也有所不同，可以用蓄電池組、飛輪儲(chǔ)能器或超大容量電容器等共同組成雙電源系統(tǒng)。在具有雙電源系統(tǒng)的FCEV上，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電源可以出現(xiàn)以下驅(qū)動(dòng)模式。

在啟動(dòng)時(shí)，由輔助動(dòng)力源提供電能帶動(dòng)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，或帶動(dòng)車輛起步。

車輛行駛時(shí)，由燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)所需全部電能，剩余的電能儲(chǔ)存到輔助動(dòng)力源裝置中。

在加速和爬坡時(shí)，若燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)提供的電能還不足以滿足FCEV驅(qū)動(dòng)功率要求，則由輔助動(dòng)力源提供額外的電能，使驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的功率或轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，形成燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)與輔助動(dòng)力源同時(shí)供電的雙電源的供電模式。

制動(dòng)時(shí)，輔助動(dòng)力源還可以貯存制動(dòng)時(shí)反饋的電能。燃料電池電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)DC/DC變換器：燃料電池電動(dòng)汽車汽車上的各種電源的電壓和電流受工況變化的影響呈不穩(wěn)定狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)輸出電壓與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓相匹配，在電源與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)之間，需要安裝DC／DC轉(zhuǎn)換器，即經(jīng)過DC／DC轉(zhuǎn)換起到升壓和穩(wěn)壓的調(diào)節(jié)作用。DC／DC轉(zhuǎn)換器也能夠?qū)θ剂想姵氐淖畲筝敵鲭娏骱凸β蔬M(jìn)行控制，起到保護(hù)燃料電池系統(tǒng)的目的。驅(qū)動(dòng)電機(jī)：燃料電池電動(dòng)汽車用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流電機(jī)、交流電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等，具體選型必須結(jié)合整車開發(fā)目標(biāo)，綜合考慮。燃料電池電動(dòng)汽車的