燃料电池电动汽车的现状与发展

    燃料电池以其特有的燃料效率高、质量能量大、功率大、供电时间长、使用寿命长、可靠性高、噪声低及不产生有害排放物NO₂等优点正在引起世界各国的注意。与内燃机汽车相比，氢燃料电池电动汽车有害气体的排放量减少99%，CO₂的生成量减少75%，电池能量转换效率约为内燃机效率的2.5倍。这种电池将有可能成为继内燃机之后的汽车最佳动力源之一。

    近年来一些厂家，如戴姆勒-克莱斯勒、丰田、通用、本田、日产、福特等公司都开发了自己的燃料电池电动汽车(FCEV)。汽车界人士认为FCEV是汽车工业的一大革命，是21世纪真正的纯绿色环保车，是最具实际意义的环保车种。

    1.燃料电池电动汽车的发展慨况

    20世纪60年代和70年代，美国首先将燃料电池用于航天，作为航天飞机的主要电源。此后，美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源。世界各著名汽车公司相继投入较多的人力和物力，开展燃料电池电动汽车的开发研究。在北美，各大汽车公司加入了美国政府支持的国际燃料电池联盟，各公司分别承担相应的任务，生产以新的燃料电池作动力的汽车。美国通用汽车公司在美国能源部的资助下，推出了以质子交换膜燃料电池(PEMFC，也称为离子交换膜燃料电池或固体高聚合物电解质燃料电池)和蓄电池并用提供动力的轿车。美国福特汽车公司现已研制出从汽油中提取氢的新型燃料电池，其燃料效率比内燃机提高1倍，而产生的污染则只有内燃机的5%。估计在5年内可研制出使用该种动力系统的电动汽车，并有望于2005年投入商业化生产。

    加拿大巴拉德(Ballard)汽车公司是PEMFC燃料电池技术领域中的世界先驱公司，自1983年以来，Ballard公司一直从事开发和制造燃料电池。1992年巴拉德公司在政府的支持下，为运输车研制了88kM的PEMFC动力系统，以PEMFC为动力做试验车进行演示。1993年巴拉德公司推出了世界上第一辆运用燃料电池的电动公共汽车样车，装备105kW级PEMFC燃料电池组，能载客20人，对于一般城市公共汽车，采用碳吸附系统储备气态H₂即可连续运行480km。目前，Ballard燃料电池的体积功率已达到1kW/L的目标。

    在日本燃料电池系统发展中丰田公司处于领先地位。丰田的目标是开发能量转换效率达到传统汽油机2.5倍的燃料电池，且能和现用的汽(柴)油汽车一样方便地添加燃料。日本还在1981年开发了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，随后又研制了磷酸燃料电池(PAFC)，1992年又开发了比功率高、工作温度低、结构紧凑和安全可靠的PEMFC。

    在欧洲燃料电池的开发中德国的西门子和意大利的De No公司处于领先水平。德国奔驰公司和西门子公司合作于1996年推出了装有PEMFC的NECARll小客车。

    法国也开发出使用“运程”燃料电池的电动汽车“Fever”，它以低温储存的氢和空气作燃料，发电功率达20kW，电压为90V，且采用先进的电子控制系统对电力系统进行控制，并把制动时产生的能量储存在蓄电池里，以备汽车起动或加速时使用。

    英国能源部也于1992年成立了国家燃料电池开发中心。英国燃料电池技术的开发重点在燃料供应、重整炉、气体净化和空气压缩等方面。PEMFC的研究重点是改善催化材料的性能并探索铂(Pt)催化剂的涂覆方法，降低铂(Pt)含量，提高铂(Pt)利用率和耐受CO的允许值。

    目前，所有领先的汽车制造厂都在积极开发燃料电池发动机技术，并且许多国家在燃料电池的研究方面取得了可喜的成绩。如今，燃料电池的功率密度已超过1.1kW/L。同时，燃料电池还可用于固定式、便携式和船用动力等非运输车应用环境。这些开发项目所生成的协同作用将加快燃料电池在所有应用领域中的开发进程，并将大幅度降低燃料电池的生产成本。

    燃料电池技术虽已取得快速发展，但要使其装载使用达到规模，仍有一些难题需要解决，例如氢的制取、储存及携带成本高、基础设施建设投资大等。当前研究和开发工作的重点是降低成本和开发大规模制造工艺。随着燃料电池的体积功率和质量功率的逐步提高，生产成本的不断降低，制造材料和工艺的进一步改进和完善，以燃料电池作动力的汽车将会得到广泛使用。

    2.燃料电池电动汽车结构布置

    直接供氢的FCEV推广普及的关键是纯氢的供应和储存。为了保证直接供氢的FCEV用氢的需要，必须建造氢站，这就增大了直接供氢的FCEV商品化和推广普及的难度，因此，世界上各大汽车公司纷纷推出了通过燃料重整反应制取氢气的技术，可使用多种碳氢燃料，包括醇类燃料、天然气等。目前，通过重整反应利用甲醇制取氢气的技术已十分成熟，甲醇为液体燃料，携带方便，提高了燃料电池电动汽车的续驶里程，且燃料能量的利用率可达70%-90%，大大高于热力发动机的效率。

    福特汽车公司的21世纪绿色汽车的开发计划中，FCEV作为开发研究重点，其推出的P2000HFC试验车即为直接供氢的FCEV，福特公司也有利用甲醇进行改质产生氢气的技术。目前，福特公司与石油公司摩比尔一起开发更具实际意义的车载汽油改质氢燃料电池车(FCEV)。从基础设施建设和社会使用环境上看，汽油改质型比甲醇改质型更为有利。新开发的汽油改质器与以往的相比，质量和体积都缩减了30%左右，从而提供了车载性，实现了与汽油相媲美的包装效率，对汽油改质氢FCEV的早日实用化及FCEV的普及推广具有重要意义。

    3.燃料电池的类型

    燃料电池按燃料状态分为液体型和气体型2种；按工作温度分为低温型(低于200℃)、中温型(200-750℃)和高温型(高于750℃)；按电解质类型不同分，常有这几种：碱性燃料电池(AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。这些燃料电池的性能和特点见表1。

表1 几种常见燃料电池的性能与特点

    由于汽车是移动式交通工具，因此要求车用燃料电池具有较高的能量密度以及作为车辆所必需的快速起动和动力响应的能力，同时，具有成本低、安全性好、寿命长等特点。从能量密度、操作温度、耐CO₂能力以及耐振动冲击能力等来看，质子交换膜燃料电池(PEMFC)最适合用作电动汽车的动力电源，它与电动机结合后，成为一种新概念的动力机，是内燃机最强有力的竞争者。

    4.质子交换膜燃料电池(PEMFC)

    质子交换膜产电池(PEMFC)采用可传导离子的聚合膜作为电解质，所以也叫聚合物电解质燃料电池(PEFC)、固体聚合物燃料电池(SPFC)或固体聚合物电解质燃料电池(SPEFC)。

    PEMFC电池以铂(Pt)为电极催化剂，纯氢为燃料，空气或氧为氧化剂。它的最大特点是可以在室温条件下启动，工作温度一般为23-100℃，无腐蚀问题(纯水体系)，电池寿命长(10年以上)，工作电流密度高(通常几百mA/cm²，高时可达几A/cm²)，比功率高(超过200W/kg)，比能量高(超过200Wh/kg)。

    (1)PEMFC的构成及工作原理

    PEMFC的基本构成为：电池本体、辅助系统(包括燃料及氧化剂的循环回路，湿度、温度及压力的监控，产物水的输出及热交换装置等)和燃料及氧化剂的储存(或制造)系统。在实际应用中，还有电池的安全系统和功率调节系统。

    电池本体(或称电池堆)由若干个单体电池串联、并联或混合形式联结而成；每个电池单体又由离子交换膜、电极(阳极和阴极)和带有气流通道的集流板组成。

    集流板包括阳极板和阴极板。集流板的功能是导入反应气体，即氢气和氧气，并移走电池反应产物，同时起密封保护作用。现在集流板的制造技术已经很成熟，可以用精密铣床在石板上加工沟槽实现。在电池内部，两电极被电解质分开，集流板分别位于两电极外侧。电池工作时，燃料由阳极集流板供给到阳极，在阳极发生氧化反应，并向外电路放出电子；氧化剂通过阴极集流板供给到阴极，在阴极处从外电路获得电子，发生还原反应；电子通过外电路由阳极流向阴极，电池内部电荷载体的传导借助电解质来完成。这样，内外电路一起构成闭合回路，完成化学能向电能的直接转化。

    (2)PEMFC的关键构件

    ①PEMFC的聚合物电解质。聚合物电解质膜片除了维持离子充电外，还分别通过阳极和阴极使氧化剂和燃料分开。PEMFC的聚合物电解质主体--离子交换膜(IEM)是PEMFC的核心。PEMFC中的IEM与一般的化学电源隔膜有很大的不同，主要表现在它的功能是作为电解质和电极活性物质的基底以及能选择透过质子，而不是像普通膜那样呈多孔性。

    聚合物电解质膜片对质子的传导性与吸入的水量成正比，因此，为了使PEMFC能可靠地进行工作，电池中的燃料流和氧化剂流必须“湿化”，即聚合膜必须完全成为水合物，可以利用电化学反应产生的水和加湿的气体燃料中的水分。聚合膜脱水会导致电阻大幅度上升。在电池的燃料侧，必须保持高的局部水压，因为每个离子从阳极移动到阴极通过膜时，都载着水作为水合层，在阳极这些水必须不断得到补充，这就必须将工作温度限定在100℃以下。很薄的聚合物电解质膜片有利于水从阴极向阳极扩散。

    IEM研究主要面临的问题有：①膜的厚度设计时，若厚度太厚，则导致膜的电阻增大，从而降低膜的导电性能；太薄又容易引起氢气的泄漏和膜的破环；②提高IEM的稳定性和电化学性能；③降低膜的造价；④发展高温聚合物(150-200℃)，这样的温度会降低电极对CO中毒的灵敏性，缓解水对质子传导、水平衡问题的影响程度，并且在较高的温度条件下，废热可回收利用，提高PEMFC的效率。

    ②电极催化剂。在PEMFC中，铂是最好的电极催化剂。由于这种电池是在低温条件下工作的，因此，提高催化剂的活性，防止电极催化剂中毒很重要。早期的PEMFC要充填2-4mg/cm²的铀，近年来，随着对催化剂的研究，充填数量已减少1-2个数量级。

    当PEMFC的燃料不是纯H₂时，它必须与烃类重整置匹配使用，碳氢燃料制氢的重整反应需要在200-250℃之间的温度下进行，而制的氢中总会有少量的CO，易引起铂催化剂的中毒。若CO体积分数超过2×10^-5，则燃料电池的效率与寿命都会降低。在酸性电解质中，CO优先被吸附于铂上，妨碍了H₂与催化剂表面的接触。吸附作用与温度成反比，即温度越低，吸附作用越强。CO过量会破坏离子交换膜的性能。

    一种减少CO中毒的方法是在燃料中加入少量氧，用于氧化吸收CO，然后生产CO₂；另一种方法是使用合成催化剂，例如Ru/Pt合金，Ru氧化而成的RuO₂或Ru (OH)₂在表面氧化CO。

    此外，对于以甲醇为燃料的PEMFC电池，重整装置应有一个预氧化器，以便用数量得到精确控制的空气来氧化CO，从而减少来自重整反应器的CO，使之达到密度为10⁶的可容忍程度。这对运输行业来说是可行的。

    ③电极结构。电极结构的优化和制造工艺是是PEMFC的关键技术，它决定了PEMFC的工作性能和适用性。早期的PEMFC中，铂被沉积在聚合物膜片上，这些电极具有很厚的铂涂层(42mg/cm²)。后来，由于采用气体-扩散电极，在碳上涂混有聚四氯乙烯的铂，使铂的用量大大降低。目前，在PEMFC中，一般在电极内浸入全氟磺酸，并与膜热压合，这就是所谓的三合一工艺，这种工艺可以减少接触电阻，为离子提供合适的通道。由于全氟磺酸树脂的价格是很昂贵的，所以研究工作主要是提高膜的使用效率，降低其成本，提高其可靠性。

    从总体来看，PEMFC是一个极为复杂的机电、液气两相控制系统，它不仅涉及到电化学反应，而且涉及了机械和电子控制，技术难度大。目前，PEMFC电池组正在加速发展，几年前主要是解决质量比能低和在汽车上的携带问题。当前要解决的问题主要是成本与CO允许值。

    燃料电池电动汽车除了在车身、控制器及驱动系统等方面面临着与电动汽车相同的问题之外，在其储能动力源--燃料电池方面还有较多问题急需解决。

    目前，车用燃料电池急需解决的关键问题如下。

    (1)提高车用燃料电池单位质量(或体积)、电流密度及功率，提高动力车辆所必需的快速起动和动力响应的能力。就PEMFC本身来说，主要的技术研究方向如下。

    ①聚合物电解质：深入研究聚合物电解质中的传导和扩散机理，开发新的结构模式。选择造价低、易于生产且化学结构相对简单的膜片。同时开发可在高温(200℃)下传导质子的聚合物，减少CO对电极催化剂的毒害，并提高废热的回收利用率。

    ④其它方面：对于像压缩机、泵、热交换器、重整装置、选择氧化器等的系统元件都要在材料、体积及应用性能方面进行优化研究；减小体积和质量，以便装入汽车等动力装置有限的使用空间。

    (2)必须开发质量轻、体积更小、能储存更多氢能的车载氢储存器具，以便更有效地利用燃料能量，提高续驶里程和载质量。

    (3)必须解决好氢气的安全问题。研究表明：在一定的条件下，氢气比汽油具有更大的危险性，所以无论采用什么储存方式，储存器具及其安全措施都必须满足使用要求。

    (4)电池组件必须采用积木化设计，开发有效的制造工艺，并进行高效的自动化生产，从而降低材料和制造费用。

    (5)发展结构紧凑及性能可靠的PEMFC的同时开发应用其它燃料，像甲烷、柴油等驱动的PEMFC，这将会拓宽PEMFC的应用范围。

    当前的研究显示，燃料电池潜力很大，应用前景很广，在已有成果基础上正在不断开辟新的领域。目前的关键是提高其功率质量比，优化整个系统，进一步掌握电池和甲醇反应器的动力学，等等。这些难题大多已找到解决的途径，汽车未来能源属于燃料电池。