燃料电池汽车行业研究

燃料电池汽车行业研究（精选8篇）

燃料电池汽车行业研究 篇1

基于氢燃料电池汽车碰撞安全性的研究

氢燃料电池汽车作为新能源汽车的代表,近几年得到了政府和企业的广泛关注和发展.针对氢燃料电池汽车的`结构特点,提出了氢燃料电池汽车存在的碰撞安全性问题,分析了国内外关于氢燃料电池汽车的碰撞安全标准,给出了解决氢燃料电池汽车碰撞安全性问题的方法.

作 者：孙振东 刘桂彬 李希浩 张向磊 作者单位：孙振东,刘桂彬,张向磊(中国汽车技术研究中心,天津,300162)

李希浩(清华大学汽车工程系,北京,100084)

刊 名：北京汽车英文刊名：BEIJING AUTOMOTIVE ENGINEERING年，卷(期)：2009“”(2)分类号：U461.91 U469.1关键词：氢燃料电池汽车 结构 碰撞安全性

燃料电池汽车行业研究 篇2

关键词：汽车行业,燃料电池电动汽车,结构原理

采用燃料电池作电源的电动汽车称为燃料电池电动汽车 (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 。FCEV一般以质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 作为车载能量源。

1燃料电池电动汽车的分类

⑴FCEV按主要燃料种类可分为: (1) 以纯氢气为燃料的FCEV; (2) 经过重整后产生的氢气为燃料的FCEV。

⑵FCEV按“多电源”的配置不同, 可分为: (1) 纯燃料电池驱动 (PFC) 的FCEV; (2) 燃料电池与辅助蓄电池联合驱动 (FC+B) 的FCEV; (3) 燃料电池与超级电容联合驱动 (FC+C) 的FCEV; (4) 燃料电池与辅助蓄电池和超级电容联合驱动 (FC+B+C) 的FCEV。

2燃料电池电动汽车的结构原理

纯燃料电池电动汽车只有燃料电池一个动力源, 汽车的所有功率负荷都由燃料电池承担。燃料电池系统将氢气与氧气反应产生的电能通过总线传给驱动电动机, 驱动电动机将电能转化为机械能再传给传动系, 从而驱动汽车前进。

优点: (1) 结构简单, 便于实现系统控制和整体布置; (2) 系统部件少, 有利于整车的轻量化; (3) 较少的部件使得整体的能量传递效率高, 从而提高整车的燃料经济性。

缺点: (1) 燃料电池功率大、成本高; (2) 对燃料电池系统的动态性能和可靠性提出了很高的要求; (3) 不能进行制动能量回收。

为了有效地解决上述问题, 必须使用辅助能量存储系统作为燃料电池系统的辅助动力源, 和燃料电池联合工作, 组成混合驱动系统共同驱动汽车。从本质上来讲, 这种结构的燃料电池电动汽车采用的是混合动力结构。它与传统意义上的混合动力结构的差别仅在于发动机是燃料电池而不是内燃机。在燃料电池混合动力结构汽车中, 燃料电池和辅助能量存储装置共同向电动机提供电能, 通过变速机构来驱动汽车行驶。

优点: (1) 由于增加了比功率价格相对低廉得多的蓄电池组, 系统对燃料电池的功率要求较纯燃料电池结构形式有很大的降低, 从而大大地降低了整车成本; (2) 燃料电池可以在比较好的设定的工作条件下工作, 工作时燃料电池的效率较高; (3) 系统对燃料电池的动态响应性能要求较低; (4) 汽车的冷启动性能较好; (5) 制动能量回馈的采用可以回收汽车制动时的部分动能, 该措施可能会增加整车的能量效率。

缺点: (1) 蓄电池的使用使得整车的质量增加, 动力性和经济型受到影响, 这一点在能量复合型混合动力汽车上表现更为明显; (2) 蓄电池充放电过程会有能量损耗; (3) 系统变得复杂, 系统控制和整体布置难度增加。

目前燃料电池电动汽车绝大多数采用的是混合式燃料电池驱动系统, 将燃料电池与辅助动力源相结合, 燃料电池可以只满足持续功率需求, 借助辅助动力源提供加速、爬坡等所需的峰值功率, 而且在制动时可以将回馈的能量存储在辅助动力源中。混合式燃料电池驱动系统有并联式和串联式两种。

在FCEV所采用的燃料电池发动机中, 为保证PEMFC组的正常工作, 除以PEMFC组为核心外, 还装有氢气供给系统、氧气供给系统、气体加湿系统、反应生成物的处理系统、冷却系统和电能转换系统等。只有这些辅助系统匹配恰当和正常运转, 才能保证燃料电池发动机正常运转。

(1) 氢气供应、管理和回收系统。气态氢的储存装置通常用高压储气瓶来装载。液态氢气虽然比能量高于气态氢, 由于液态氢气是处于高压状态, 不但需要用高压储气瓶储存, 还要用低温保温装置来保持低温, 低温的保温装置是一套复杂的系统。

(2) 氧气供应和管理系统。氧气的来源有从空气中获取氧气或从氧气罐中获取氧气, 空气需要用压缩机来提高压力, 以增加燃料电池反应的速度。

(3) 水循环系统。燃料电池发动机在反应过程中将产生水和热量, 在水循环系统中用冷凝器、气水分离器和水泵等对反应生成的水和热量进行处理, 其中一部分水可以用于空气的加湿。

燃料电池汽车再度升温 篇3

世界燃料电池汽车技术发展大致经历了两个阶段，2005年以前，戴姆勒、福特、丰田、本田等公司完成了以第一代燃料电池为基础的燃料电池汽车开发，通过验证，初步证明燃料电池运用于汽车上是可行的，但是，昂贵的成本(1万美元／kWh)与较短的寿命(2000小时)使得人们对燃料电池产业化的期望有所下降；2005年以后，燃料电池汽车在寿命、成本等关键难点取得了出乎意料的进展，燃料电池汽车技术进入了可喜的第二阶段。

在寿命方面，对燃料电池和系统进行了许多改进和优化，且普遍采用了燃料电池与蓄电池的混合动力系统，使得燃料电池处于较平稳的工作状态，国际燃料电池寿命普遍达到高于5000小时的水平。美国UTC Power开发的燃料电池系统在大巴车上实现了近10000小时的运行寿命，可以初步满足要求。

在成本方面，一方面由小量研制的产品到未来大批量生产的实现，成本会大幅度降低；另一方面，燃料电池中高含量的铂金催化剂成本高，人们正在研发低铂金或非铂金催化剂，并已取得进展。2007年以前，一辆燃料电池汽车需要铂金约100g。现在有望降至每辆车30g。如果采取电池一燃料电池混合动力方式，只需要铂金15g，进一步的目标是朝着3～5g努力。

成本与寿命的突破性进展，增强了对燃料电池汽车产业化的信心。德国戴姆勒公司开发的燃料电池B级车，主要性能已经达到传统内燃机汽车水平，该车计划2014年量产。日本丰田公司所开发燃料电池SUV车计划2015年达到5万美元／辆，并进入到市场导入阶段。日本本田公司的FCX clarity轿车和美国通用公司的Equinox SUV也都在积极进行市场应用准备。

与纯电动汽车比较，燃料电池汽车的重要优点是电源系统能量密度高，同样质量的汽车续驶里程更长。目前国际上燃料电池汽车大都采用70MPa氢罐，储氢约为6kg，每千克氢可释放约19kWh电能，发电量约为110kWh，储氢系统加燃料电池系统质量共约300kg，则电源系统能量密度约为：110kWh÷300Kg=360Wh／kg；而目前车用锂电池系统能量密度低于100Wh／Kg。相比之下，相同质量的燃料电池汽车的续驶能力是目前锂电池电动汽车的三四倍。人们预计，近几年内锂电池单体的比能量只可能提高到150Wh／Kg，系统的比能量达到120Wh／Kg。比能量要想达到200Wh／kg以上，需要更加复杂的安全技术，难度很大。即使达到了，也仍然与燃料电池有差距。

燃料电池汽车行业研究 篇4

基于升流式厌氧污泥床反应器的微生物燃料电池的研究

摘要：构建了一种基于升流式厌氧污泥床反应嚣(UASB)的.微生物燃料电池(MFCs),利用UASB高效去除COD能力及连续进样方式,获得稳定电能输出.考察了水力停留时间、进液方式、电极材料、离子交换膜种类、溶液离子强度等因素对于MFCs性能的影响.实验结果表明:在水力停留时间6h、连续进液、高纯石墨板电板以及均相阳离子交换膜条件下,连续运行3个月,放电功率稳定在145 mW/m2.开路电压0.78 V,放电电流最高可达321 mA/m2.作 者：王万成 陶冠红 WANG Wan-cheng TAO Guan-hong 作者单位：苏州大学化学化工学院,江苏,苏州,215123期 刊：江苏环境科技 ISTIC Journal：JIANGSU ENVIRONMENTAL SCIENCE AND TECHNOLOGY年，卷(期)：,21(1)分类号：X2关键词：微生物燃料电池 升流式厌氧污泥床 电池结构 连续进样 功率密度

现有燃料电池的改进措施 篇5

作者：张忠伟

学号：10083496

班级：工优080

摘要：介绍了现有的燃料电池及其分类，在应用过程中所遇到的相关问题及最新的改进措施。

关键词：燃料电池，应用，改进措施。

1.按燃料电池的运行机理分，分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。2.按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。

燃料电池可分为碱性燃料电池（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、直接甲醇燃料电池(DMFC)、微生物燃料电池(MFC)。

3.按燃料类型分，有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。

氢能源燃料电池的改进

一项研究指出，新的高温燃料电池也许能提高燃料电池的“开采到车轮”效率。这个改进了的燃料电池，能用过剩的燃料电池热量来驱动碳氢化合物到氢的反应，来生产制造电力所需要的氢。在这个新的固体氧化物燃料电池中，将碳氢化合物转化为氢的阳极上添了一个钌和铈的“重整层”，使转化过程中阳极上没有碳的沉积。过去，燃料电池内，镍阳极上的碳沉积(也叫炼焦)，使科学家不能利用燃料电池热量将碳氢化合物“重整”为氢的这种高能量效率的方法。当将重整层加到阳极上后，重整层从高纯度的碳氢化合物燃料异辛烷中生产出氢。这种燃料电池能达到0．3—0．6W／cm 的能密度。

质子交换膜燃料电池

PEMFC的性能受压力和温度等条件及电池堆内部结构的影响，存在着很多难以确定的参数。模拟退火(SAA)算法、遗传(GA)算法和粒子群优化(PSO)算法等已对这些参数进行了优化，但仍有不足，如存在可能陷入局部极值的问题PSO算法以种群行为原则来激励粒子的运动。每个潜在解与粒子的速度相联系，该速度不停地根据粒子及与该粒子邻近的粒子的经验来调整，总是希望粒子向更好的方向发展。改进PSO算法是一种随着算法迭代次数的增加使惯性权重线性下降的方法，实现了动态地修改惯性权值，采用改进PSO算法，对PEMFC的极化曲线模型进行参数估计，以寻找一组最优解，提出了一种优化燃料电池模型的方法，并用于质子交换膜燃料电池的极化曲线模型，以得到最优参数。结果表明，这种优化模型的平均平方误差(MSE)为4．42 x 10 V，相关系数为99．87％，数学模型和实验数据之间的拟合精度高。

Nafion质子交换膜

应用于固体聚合物燃料电池中但因存在甲醇渗透问题，使其在直接甲醇燃料电池中的应用受到限制。由于Nafion膜具有多种优良特性，特别是极佳的质子导电性能，使它成为DMFC中质子交换膜的首选。这种DMFC的电池性能十分优良，能量密度可达0．18W/cm2以上.Nation膜应用于直接甲醇燃料电池中还有许多亟待解决的问题。其中之一是在对Nafion膜的修饰改性后，降低了甲醇分子渗透率的同时也降低了膜的质子导电性，使电池性能受到影响。因此，以后的研究工作应着眼于在保持Nation膜优良质子导电性的情况下，对其进行改进，降低甲醇渗透率，使电池的综合能量效率得以提高。

碱性介质空气电极性能的改进：

La2O3，作为催化层的添加剂可以提高催化剂对氧气还原的催化活性,在碱性介质中，La2O3是对空气电极具有较理想的助催化效果的添加剂。在催化层中掺杂1．8％(质量百分数)La2O3最利于空气电极中氧气的扩散及过氧化氢根离子在催化剂Mn5O8 和γ-Mn2O3 上面吸附、分解．从而降低HO2对电极性能的负面影响；并且，在此条件下，相应锌-空气电池的放电电压最高锰的氧化物作为空气电极的催化剂具有高效、价廉的优点在此基础好上添加少量的稀土氧化物La2O3可以提高空气电极的放电电压，在一定程度上减轻空气电极的极化。这将有利于空气电极在大电流放电场合下的运用(如应用于电动汽车等领域)

美国利用纳米材料改进燃料电池: 低温燃料电池一般需要铂来作催化剂。但在发电过程中，会产生一氧化碳。如果不加以处理，一氧化碳就会使铂催化剂失去效用。为此，制作燃料电池时就需要建立专门的系统，一-102用于把一氧化碳转化成二氧化碳，但这一过程费时费力。由威斯康星大学的詹姆斯教授带领的研究小组发现的一项新成果将影响燃料电池的发展。他们在聚合电解膜(PEM)上包上纳米材料。结果发现，铂会催化一氧化碳和水反应，生成二氧化碳等。这样，就不需要专门加温来排除掉一氧化碳了。

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燃料电池汽车行业研究 篇6

作者:辽宁电力科学研究院孔宪文桂敏言(辽宁省电力有限公司冯玉全)

【摘要】本文概述了燃料电池的工作特点和原理，介绍了发电系统的组成、国内外的研究现状，对我国应用燃料电池发电的资源条件进行了评估，展望了这一技术在电力系统的应用前景、将对电力系统产生的重要影响，它将使传统的电力系统产生重大的变革，它会使电力系统更加安全、经济。最后提出了发展燃料电池发电的具体建议。

1.引言

能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。

随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必需首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33~35%，一半以上的能量白白地损失掉了;二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然采用的技术在不断地升级，如开发出了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧和整体气化联合循环发电技术，但这种努力的结果是：机组规模巨大、超高压远距离输电、投资上升，到用户的综合能源效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。多年来人们一直在努力寻找既有较高的能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。这就是燃料电池发电技术。

1839年英国的Grove发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极催化剂的简单的氢氧燃料电池点亮了伦敦讲演厅的照明灯。1889年Mood和Langer首先采用了燃料电池这一名称，并获得200mA/m2电流密度。由于发电机和电极过程动力学的研究未能跟上，燃料电池的研究直到20世纪50年代才有了实质性的进展，英国剑桥大学的Bacon用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。60年代，这种电池成功地应用于阿波罗(Appollo)登月飞船。从60年代开始，氢氧燃料电池广泛应用于宇航领域，同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。从80年代开始，各种小功率电池在宇航、军事、交通等各个领域中得到应用。

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC)等。燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。

大型电站，火力发电由于机组的规模足够大才能获得令人满意的效率，但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴进用户，因此只好集中发电由电网输送给用户。但是机组大了其发电的灵活性又不能适应户户的需要，电网随用户的用电负荷变化有时呈现为高峰，有时则呈现为低谷。为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急，这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为集木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。

燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。我国人均能源资源贫乏，在目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、调峰能力、电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下，研究和开发微型化燃料电池发电具有重要意义，这种发电方式与传统的大型机组、大电网相结合将给我国带来巨大的经济效益。

2.燃料电池的特点与原理

由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：

l不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率;

不管装置规模大小均能保持高发电效率;

具有很强的过负载能力;

通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛;

发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量的自由度大;

电池本体的负荷响应性好，用于电网调峰优于其他发电方式;

用天然气和煤气等为燃料时，NOX及SOX等排出量少，环境相容性优。

如此由燃料电池构成的发电系统对电力工业具有极大的吸引力。

燃料电池按其工作温度是不同，把碱性燃料电池(AFC，工作温度为100℃)、固体高分子型质子膜燃料电池(PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内)和磷酸型燃料电池(PAFC，工作温度为200℃)称为低温燃料电池;把熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC，工作温度为650℃)和固体氧化型燃料电池(SOFC，工作温度为1000℃)称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。另一种分类是按其开发早晚顺序进行的，把PAFC称为第一代燃料电池，把MCFC称为第二代燃料电池，把SOFC称为第三代燃料电池。这些电池均需用可燃气体作为其发电用的燃料。

燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。

氢-氧燃料电池反应原理

这个反映是电觧水的逆过程。电极应为：

负极：H2+2OH-→2H2O+2e-

正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-

电池反应：H2+1/2O2==H2O

另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极(阳极)和空气极(阴极)、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气(氧化剂气体)能在流路中通过。

在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子(H+)相关，发生的反应为：

燃料极：H2=2H++2e-(1)

空气极：2H++1/2O2+2e-=H2O(2)

全体：H2+1/2O2=H2O(3)

氢氧燃料电池组成和反应循环图

在燃料极中，供给的燃料气体中的H2分解成H+和e-，H+移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e-经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e-不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式(3)可以看出，由H2和O2生成的H2O，除此以外没有其他的反应，H2所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。

引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。

单电极组装示意图

PAFC的电解质为浓磷酸水溶液，而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以Pt作为触媒，燃料气体中的CO将造成中毒，降低电极性能。为此，在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。

磷酸型燃料电池基本组成和反应原理

磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H2、CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成H2和CO2。经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极(燃料极)，同时将氧输送到燃料堆的正极(空气极)进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。

相对PAFC和PEMFC，高温型燃料电池MCFC和SOFC则不要触媒，以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用，而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。

MCFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质(通常是为Li与K混合的碳酸盐)和上下与其相接的2块电极板(燃料极与空气极)，以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等，电解质在MCFC约600~700℃的工作温度下呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极为镍系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。

MCFC工作原理。空气极的O2(空气)和CO2与电相结合，生成CO23-(碳酸离子)，电解质将CO23-移到燃料极侧，与作为燃料供给的H+相结合，放出e-，同时生成H2O和CO2。化学反应式如下：

燃料极：H2+CO23-=H2O+2e-+CO2(4)

空气极：CO2+1/2O2+2e-=CO23-(5)

全体：H2+1/2O2=H2O(6)

在这一反应中，e-同在PAFC中的情况一样，它从燃料极被放出，通过外部的回路反回到空气极，由e-在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外，MCFC的最大特点是，必须要有有助于反应的CO23-离子，因此，供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成份的CH4在电池内部改质，在电池内部直接生成H2的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下，其主成份CO和H2O反应生成H2，因此，可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力，隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。

SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO2(氧化锆)，它构成了O2-的导电体Y2O3(氧化钇)作为稳定化的YSZ(稳定化氧化锆)而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMnO3(氧化镧锰)。隔板采用LaCrO3(氧化镧铬)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下：

燃料极：H2+O2-=H2O+2e-(7)

空气极：1/2O2+2e-=O2-(8)

全体：H2+1/2O2=H2O(9)

燃料极，H2经电解质而移动，与O2-反应生成H2O和e-。空气极由O2和e-生成O2-。全体同其他燃料电池一样由H2和O2生成H2O。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份CH4改质成H2加以利用，并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。

表1燃料电池的分类

类型

磷酸型燃料电池(PAFC)

熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)

固体氧化物型燃料电池(SOFC)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)

燃料

煤气、天然气、甲醇等

煤气、天然气、甲醇等

煤气、天然气、甲醇等

纯H2、天然气

电解质

磷酸水溶液

KliCO3溶盐

ZrO2-Y2O3(YSZ)

离子(Na离子)

电极

阳极

多孔质石墨(Pt催化剂)

多孔质镍(不要Pt催化剂)

Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)

多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)

阴极

含Pt催化剂+多孔质石墨+Tefion

多孔NiO(掺锂)

LaXSr1-XMn(Co)O3

多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)

工作温度

~200℃

~650℃

800~1000℃

~100℃

近20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。AFC已在宇航领域广泛应用，PEMFC已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用，PAFC作为中型电源应用进入了商业化阶段，MCFC也已完成工业试验阶段，起步较晚的作为发电最有应用前景的SOFC已有几十千瓦的装置完成了数千小时的工作考核，相信随着研究的深入还会有新的燃料电池出现。

美日等国已相继建立了一些磷酸燃料电池电厂、熔融碳酸盐燃料电池电厂、质子交换膜燃料电池电厂作为示范。日本已开发了数种燃料电池发电装置供公共电力部门使用，其中磷酸燃料电池(PAFC)已达到“电站”阶段。已建成兆瓦级燃料电池示范电站进行试验，已就其效率、可运行性和寿命进行了评估，期望应用于城市能源中心或热电联供系统。日本同时建造的小型燃料电池发电装置，已广泛应用于医院、饭店、宾馆等。

3.燃料电池发电系统

3.1.利用天然气的发电系统

MCFC需要供给的燃料气体是H2，它可由天然气中的CH4改质生成，其反应在改质器中进行。改质器出口的温度为600℃，符合MCFC的工作温度，可以原样直接输送到燃料极侧。

另一方面，空气极侧需要的O2通过空气压缩机供给。另一个反应因素CO2，空气极侧反应等量地再利用发电时燃料极产生的CO2。除了有CO2外，燃料极排出气体还含有未反应的可燃成份，一起输送到改质器的燃烧器侧，天然气改质所必需的热量就由该燃烧热供给。这种情况下，排出的燃料气体会含有过多的H2O，将影响发热量，为此通常是先将排出燃料气体冷却，将水份滤去后再输送到改质器的燃烧侧。从改质器燃烧侧出来的气体与来自压缩机的空气相混合后供给空气极侧。

实际的电池因内部存在电阻会发热，故通过在空气极侧中流过的大量氧化气体(阴极气体，即含有O2、CO2的气体)来除去其发生的热。通常是按600℃供给的气体在700℃下排出，这一指标可通过在空气极侧进行流量调整来控制，为此采用阴极气体的再循环，即，空气极侧供给的气体为以改质器燃烧排气与部分空气极侧排出气体的混合体，为了保持电池入口和出口的温度为最佳温度，可将再循环流量与外部供给的空气流量一起调整。

来自空气极侧的排气为高温，送入最终的膨胀式透平，进行动力回收，作为空气压缩动力而应用。剩余的动力，由发电机发电回收，从而可以提高整套系统的效率。另外，天然气改质所必需的H2O(水蒸汽)可从排出的燃料气体中回收的H2O来供给。

这种系统的效率可达55~60%。在整套出力中MCFC发电量份额占90%。绝大部分的发电量是由MCFC生产的。如果考虑到排气形成的动力回收和若干的附加发电，广义上也可以称为联合发电。

在使用PAFC的情况下，若以煤炭为燃料发电时就不容易了，采用天然气时，其构成类似于MCFC机组，基本上是由电池本体发电。原因是PAFC排出气体温度较低，与其进行附加发电不如作为热电联产电源。

SOFC能和较高温度的排气体构成附加发电系统，由于SOFC不需要CO2的再循环等，结构简单，其发电效率可以达到50~60%。

3.2利用煤炭的发电系统

以MCFC为例进行介绍。煤炭需经煤气化装置生成作为MCFC可用燃料的CO及H2，并在进入MCFC前除去其中含有的杂质(微量的杂质就会构成对MCFC的恶劣影响)，这种供给MCFC精制煤气，其压力通常高于MCFC的工作压力，在进入MCFC供气前先经膨胀式涡轮机回收其动力。涡轮机出口气体，经与部分来自燃料极(阳极)排出的高温气体(约700℃)相混合，调整为对电池的适宜温度(约600℃)。该阳极气体的再循环是，将排出的燃料气体中所含的未反应的燃料成分返回入口加以再利用，借以达到提高燃料的利用率。向空气极侧供给O2和CO2是通过空气压缩机输出的空气和排出燃料气体相混合来完成的。但是，碳酸气是采用触媒燃烧器将未燃的H2及CO变换成H2O和CO2后供给的。

实际的燃料电池，内部电阻会发热，将通过在空气极侧流过的大量的氧化剂气体(阴极气体，即含有O2和CO2的气体)而除去。通常通过调整空气极侧的流量，把以600℃供给的气体在700℃排出。为此采用了阴极气体再循环，使空气极侧的排气形成约700℃的高温。因此，在这个循环回路中设置了热交换器，将气体温度冷却到600℃，形成电池入口适宜的温度，与来自触媒燃烧器的供给气体相混合。空气极侧的出入口温度，取决于再循环和来自压缩机的供给空气流量和再循环回路中的热交换量。

排热回收系统(末级循环)，是由利用空气极侧排气的膨胀式涡轮机和利用蒸汽的汽轮机发电来构成。膨胀式涡轮机与压缩机的相组合，其剩余动力用于发电。蒸汽是由来自其下流的热回收和煤气化装置以及阴极气体再循环回路中的蒸汽发生器之间的组合产生，形成汽水循环。

这种机组的发电效率，因煤气化方式和煤气精制方式等的不同而有若干差异。利用煤系统SOFC其构成是复杂的。但若用管道气就简单多了，主要的是采用煤炭气化系统造成的，其效率为45~55%。

4.我国燃料电池的发展状况

我国的燃料电池研究始于1958年，原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统(千瓦级AFC)均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的`研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池(DMFC)的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。“八五”期间，中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。到90年代中期，由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入“九五”科技攻关计划的推动，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。质子交换膜燃料电池被列为重点，以大连化学物理研究所为牵头单位，在中国全面开展了质子交换膜燃料电池的电池材料与电池系统的研究，并组装了多台百瓦、1kW-2kW、5kW和25kW电池组与电池系统。5kW电池组包括内增湿部分其重量比功率为100W/kg，体积比功率为300W/L。

我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，和两次在香山科学会议上对我国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年我国加强了在PEMFC方面的研究力度。

大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成30kW车用用燃料电池的全部试验工作。北京富原公司也宣布，将提供40kW的中巴燃料电池，并接受订货。科技部副部长徐冠华一年前在EVS16届大会上宣布，中国将在20装出首台燃料电池电动车。我国燃料电池的研究工作已表明：1.中国的质子交换膜燃料电池已经达到可以装车的技术水平;2.大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池是具有我国自主知识产权的高技术成果;3.在燃料电池研究方面我国可以与世界发达国家进行竞争，而且在市场份额方面，我国可以并且有能力占有一定比例。

但是我国在PAFC、MCFC、SOFC的研究方面还有较大的差距，目前仍处于研制阶段。

此前参与燃料电池研究的有关概况如下：

4.1.PEMFC的研究状况

我国最早开展PEMFC研制工作的是长春应用化学研究所，该所于1990年在中科院扶持下开始研究PEMFC，工作主要集中在催化剂、电极的制备工艺和甲醇外重整器的研制,已制造出100WPEMFC样机。1994年又率先开展直接甲醇质子交换膜燃料电池的研究工作。该所与美国CaseWesternReserve大学和俄罗斯氢能与等离子体研究所等建立了长期协作关系。

中国科学院大连化学物理所于1993年开展了PEMFC的研究,在电极工艺和电池结构方面做了许多工作，现已研制成工作面积为140cm2的单体电池，其输出功率达0.35W/cm2。

清华大学核能技术设计院1993年开展了PEMFC的研究,研制的单体电池在0.7V时输出电流密度为100mA/cm2，改进石棉集流板的加工工艺，并提出列管式PEMFC的设计，该单位已与德国Karlsrube研究中心建立了一定的协作关系。

天津大学于1994年在国家自然科学基金会资助下开展了PEMFC的研究，主要研究催化剂和电极的制备工艺。

复旦大学在90年代初开始研制直接甲醇PEMFC，主要研究聚苯并咪唑膜的制备和电极制备工艺。

厦门大学近年来与香港大学和美国的CaseWesternReserve大学合作开展了直接甲醇PEMFC的研究。

1994年，上海大学与北京石油大学合作研究PEMFC(“八五”攻关项目)，主要研究催化剂、电极、电极膜集合体的制备工艺。

北京理工大学于1995年在兵器工业部资助下开始了PEMFC的研究，目前单体电池的电流密度为150mA/cm2。

中国科学院工程热物理研究所于1994年开始研究PEMFC，主营使用计算传热和计算流体力学方法对各种供气、增湿、排热和排水方案进行比较，提出改进的传热和传质方案。

天津电源研究所开始PEMFC的研究,拟从国外引进1.5kW的电池，在解析吸收国外先进技术的基础上开展研究。

华南理工大学于19初在广东省佛山基金资助下开展了PEMFC的研究，与国家科委电动车示范区建设相配合作了一定的研究工作。其天然气催化转化制一氧化碳和氢气的技术现已申请国家发明专利。

中科院电工研究所最近开展了电动车用PEMFC系统工程和运行模式研究，拟与有色金属研究院合作研究PEMFC/光伏电池(制氢)互补发电系统和从国外引进PEMFC装置。

1995年北京富原公司与加拿大新能源公司合作进行PEMFC的研制与开发，5kW的PEMFC样机现已研制成功并开始接受订货。

4.2.MCFC的研究简况

国内开展MCFC研究的单位不太多。哈尔滨电源成套设备研究所在80年代后期曾研究过MCFC，90年代初停止了这方面的研究工作。

1993年中国科学院大连化学物理研究所在中国科学院的资助下开始了MCFC的研究，自制LiAlO2微粉，用冷滚压法和带铸法制备出MCFC用的隔膜，组装了单体电池，其性能已达到国际80年代初的水平。

90年代初，中国科学院长春应用化学研究所也开始了MCFC的研究，在LiAlO2微粉的制备方法研究和利用金属间化合物作MCFC的阳极材料等方面取得了很大进展。

北京科技大学于90年代初在国家自然科学基金会的资助下开展了MCFC的研究，主要研究电极材料与电解质的相互作用，提出了用金属间化合物作电极材料以降低它的溶解。

中国科学院上海冶金研究所近年来也开始了MCFC的研究，主要着重于研究氧化镍阴极与熔融盐的相互作用。

1995年上海交通大学与长庆油田合作开始了MCFC的研究，目标是共同开发5kW～10kW的MCFC。

中国科学院电工研究所在“八五”期间，考察了国外MCFC示范电站的系统工程，调查了电站的运行情况，现已开展了MCFC电站系统工程关键技术的研究与开发。

4.3.SOFC的研究简况

最早开展SOFC研究的是中国科学院上海硅酸盐研究所他们在1971年就开展了SOFC的研究，主要侧重于SOFC电极材料和电解质材料的研究。80年代在国家自然科学基金会的资助下又开始了SOFC的研究，系统研究了流延法制备氧化锆膜材料、阴极和阳极材料、单体SOFC结构等，已初步掌握了湿化学法制备稳定的氧化锆纳米粉和致密陶瓷的技术。

吉林大学于1989年在吉林省青年科学基金资助下开始对SOFC的电解质、阳极和阴极材料等进行研究,组装成单体电池，通过了吉林省科委的鉴定。1995年获吉林省计委和国家计委450万元人民币的资助，先后研究了电极、电解质、密封和联结材料等,单体电池开路电压达1.18V，电流密度400mA/cm2，4个单体电池串联的电池组能使收音机和录音机正常工作。

1991年中国科学院化工冶金研究所在中国科学院资助下开展了SOFC的研究，从研制材料着手,制成了管式和平板式的单体电池，功率密度达0.09W/cm2～0.12W/cm2，电流密度为150mA/cm2～180mA/cm2，工作电压为0.60V～0.65V。1994年该所从俄罗斯科学院乌拉尔分院电化学研究所引进了20W～30W块状叠层式SOFC电池组,电池寿命达1200h。他们在分析俄罗斯叠层式结构、美国Westinghouse的管式结构和德国Siemens板式结构的基础上，设计了六面体式新型结构，该结构吸收了管式不密封的优点，电池间组合采用金属毡柔性联结，并可用常规陶瓷制备工艺制作。

中国科学技术大学于1982年开始从事固体电解质和混合导体的研究，于1992年在国家自然科学基金会和“863”计划的资助下开始了中温SOFC的研究。一种是用纳米氧化锆作电解质的SOFC，工作温度约为450℃。另一种是用新型的质子导体作电解质的SOFC，已获得接近理论电动势的开路电压和200mA/cm2的电流密度。此外,他们正在研究基于多孔陶瓷支撑体的新一代SOFC。

清华大学在90年代初开展了SOFC的研究，他们利用缓冲溶液法及低温合成环境调和性新工艺成功地合成了固体电解质、空气电极、燃料电极和中间联结电极材料的超细粉,并开展了平板型SOFC成型和烧结技术的研究,取得了良好效果。

华南理工大学于1992年在国家自然科学基金会、广东省自然科学基金、汕头大学李嘉诚科研基金、广东佛山基金共一百多万元的资助下开始了SOFC的研究,组装的管状单体电池，用甲烷直接作燃料,最大输出功率为4mW/cm2，电流密度为17mA/cm2，连续运转140h，电池性能无明显衰减。

中国科学院山西煤炭化学研究所在1994年开始SOFC研究，用超细氧化锆粉在1100℃下烧结制成稳定和致密的氧化锆电解质。该所从80年代初开始煤气化热解的研究，以提供燃料电池的气源。煤的灰熔聚气化过程已进入工业性试验阶段，正在镇江市建立工业示范装置。该所还开展了使煤气化热解的煤气在高温下脱硫除尘和甲醇脱氢生产合成气的研究，合成气中CO和H2的比例为1∶2，已有成套装置出售。

中国科学院大连化学物理所于1994年开展了SOFC的研究工作，在电极和电解质材料的研究上取得了可喜的进展。

燃料电池汽车行业研究 篇7

车载氢气燃料电池汽车是一种新能源汽车,它是通过氢气和氧气通过燃料电池进行反映,进而产生动力,由于氢气、氧气都是燃烧能力极强的气体,其能量也是非常大的,氢气和氧气在放映过程中产生能量效率非常强,而且氢气和氧气燃烧反映后产生的是水,对于环境来说几乎是没有任何危害的。而且氢气和氧气是人们生活中比较常见的气体,对于二者的收集相对是比较容易的,而且也可以通过化学反应来生产氢气和氧气。但是,氢气是一种易爆的气体,而氧气是一种易燃的气体,二者应用到汽车上依旧存在一定的隐患,特别是易爆的氢气。这就使得汽车燃料电池有一定的危险性,把氢气作为燃料最重要的一点就是保障人们的安全,如图1所示。

2 燃料电池汽车车载氢气安全措施

氢气是让人又爱又恨的一种气体,氢气与其他的燃料虽然有很多相似之处。但是,氢气却也与其他燃料不同,氢是一种密度最轻的元素,或者说是最小的元素,很容易从微型小孔中泄露,由于氢气是非常活跃的气体,如果与氧气融合不恰当容器引起爆炸,这使得很多人认为氢气是一种很危险的气体,如果应用到车上,想做到相对安全是不可能的。但是,随着社会不断的发展,氢气的应用变得越来越广泛,现如今就有很多工业在适用氢气作为燃料,而且作为世界顶端科技的美国航天局(NASA)对氢气的储存已经长达几十年,氢气也是火箭的主要燃料。对氢气的研究既然有了前车之鉴,我们更多的是吸取,挑选适合储存氢气的容器,这样可以从根本上减少氢气泄露的问题。

在现如今的车载氢气燃料电池汽车上,有很多辅助装置来保护燃料电池汽车的安全性。例如安全阀、电磁阀、热溶栓、温度传感器以及压力传感器等,这些辅助工具能够实时的反映燃料电池的情况,以及能有效的控制燃料电池出现问题的情况,实现了手动、半自动、全自动的操作模式,大大提高了车载氢气燃料电池汽车的安全性,如图2所示。

氢气是一种易燃易爆的气体,所以,控制温度也是其中重要的一环,温度传感器就是作为监控温度的一种手段,温度传感器可以有效测试氢气瓶内的温度,对于气瓶温度的变化显示到驾驶室的仪表盘上,驾驶人员可以通过仪表盘上的数据可以判断出汽车内部是否有情况发生。压力传感器与普通汽车的邮箱测试器一个道理,是判断气瓶中氢气剩余多少的作用,能够正确判断剩余的氢气能否进行正常的行驶,如果气瓶内压力不足,就会通过表盘进行变灯显示,让驾驶员了解气瓶内氢气剩余情况。在充气的过程中,管路电磁阀的作用就会凸显出来,因为气瓶和燃料电池是分离开的,在给气瓶充气时,能够有效防止气体接触到电池。燃料电池汽车主要是燃料电池为汽车提供能量,就像是家用电器一样,必须使用220V电压,否则就会承受不住压力而出现安全问题。燃料电池也是同样道理,燃料电池要求氢气出入要有一定的数值,如果氢气输入过多就会导致燃料电池承受不住压力自动熄火,或者出现安全隐患,如果氢气输入过少,就会严重影响正常使用,在这个过程中就需要一个“变压器”,汽车行业称之为“减压阀”,减压阀能够调节氢气瓶输出压力,让氢气输出压力能够与燃料电池适应压力相匹配。如果出现气瓶压力问题,针阀能够将气瓶中的氢气进行安全放空。

3 燃料电池汽车车载氢气的安全性测试

3.1 氢气泄露检测

在燃料电池汽车出场之前就要做一次安全性测试,由于氢气是一种低密度的气体,检查泄露最常规的方法就是液体检测,其方法与测试轮胎漏气部位的原理差不多。通常的安全性测试就是将一些惰性气体注入到气瓶之中,例如氦气和氮气,这种气体密度小,而且活跃性低,之后进行水体气泡检测以及皂泡实验,对所有连接点进行有效测试,水体测验只是一方面,但是其成本最低,而且效果也不错。再有就是一些高科技测试手段,例如氦质谱检测仪、红外线检测、超声波检测等,但是成本较高,而且测试过程中比较复杂,更多的是应用在高级车辆中。

3.2 系统振动检测

由于车载氢气燃料电池汽车是一种新型能源汽车,起步相对较晚,技术不能说是完善,对于很多环节都要进行全面检测,以防燃料电池汽车在经历剧烈振动之后产生漏气现象。氢气瓶与燃料电池,或者是一些辅助工具都要进行一个整体的振动检测,统称为系统振动检测。其具体检测方式是垂直加速度,也可以叫做重力加速度(速度单位为8g),之后燃料汽车再以水平加速度进行振动测试(速度单位为2g),在经过指定的振动试验后,燃料电池汽车再进行整个气密性的系统检查。

3.3 追尾碰撞安全以及防追尾检测

任何汽车在研究过程中都把防追尾以及追尾安全作为重点考虑对象。对于车载氢气燃料电池汽车的防追尾问题,重点是氢气泄露等安全性能。如果氢气泄露在与氧气结合,要是有一点火就很容易引起爆炸,所以,追尾安全性是非常重要的一环。测试的根本目的是,在燃料汽车被追尾产生碰撞时,保证内部氢气不会泄露,汽车因为碰撞起火等问题。

4 车载氢气燃料电池汽车的日常安全维护

4.1 氢气瓶以及相关系统日常安全维护

氢气作为一种非常活跃的气体,其本身是没有任何腐蚀性的,也不同于氧气容器与其他材料发生化学反应。但是由于其比较活跃,自身的反映会影响到其他金属质量,俗称“氢脆”现象又称白点,在金属内部产生裂痕,这很容易导致氢气泄露。所以,这就要求车载氢气系统要符合国家标准,保证定期日常维护。氢气泄露现象无论怎么提高科技,都是有一定几率发生的,因此,这就对所以的车载氢气系统提出更高的要求,车内许多传感器是反映氢气瓶中氢气是否出现异常反应的关键。所以,有关人员要定时对汽车的气密性以及各个传感原件进行检测、维护。

4.2 燃料电池的日常维护

燃料电池也是车内重要的零部件之一。燃料电池在生产过程中,就要考虑车载氢气燃料电池汽车自身的安全性,由于燃料电池与车载氢气系统是燃料电池汽车的两大重要组成部分,如果燃料电池出现问题,那么氢气系统做的再完善也无济于事,对于燃料电池的维护相比较氢气系统不是那么复杂,但是其作用是非常关键的。对于日常维护重点是要检查燃料电池是否老化、异常,对于燃料电池连接处要定时进行清理,以免造成积灰导致接触不良或者是短路,并且要增强通风对流结构,加强氢气的流通,以免造成氢气的聚集。

5 结束语

现如今世界传统能源短缺,石油、煤炭已经在社会的发展中出现供给不足的情况,并且随着全球工业不断增加,传统能源的弊端也日益凸显出来。随着人们的环保意识越来越强,传统能源已经不是人类发展的必要能源,人们更多的是追求新能源、绿色能源。车载氢气燃料电池汽车就是人们在汽车领域做出的一项突破,虽然在安全性还有待完善,但是随着科技技术不断发展,未来的新能源汽车必定会成为汽车领域的主流,人们与自然环境更加和谐。

摘要：随着我国科技技术不断进步,汽车领域的科技也得到了质的飞跃,现如今的汽车燃料电池车载氢气技术已经被汽车行业广泛使用。但是,车载燃料电池氢气安全问题也时有发生,例如车载氢气系统、汽车氢气泄露、氢气储存等。本文重点提出燃料电池汽车车载氢气安全问题,以及解决这些问题的方法。

关键词：燃料电池,车载氢气,汽车,安全

参考文献

[1]詹姆斯·拉米尼,安德鲁·迪克斯.燃料电池系统——原理设计应用[M].北京:科学出版社,2014.12-13

氢燃料电池汽车离我们还有多远 篇8

氢燃料电池是零排放的

氢气，不含有碳元素成分，燃烧时不会产生碳基温室气体，起码在发动机内部不会，这是汽油、柴油、煤油、天然气和其他碳氢化合物燃料都不具有的优点，也是它作为运输能源的魅力所在。虽然如此，如果氢气燃烧时使用空气而不是纯氧作为氧化剂，氢气燃烧时仍然会产生有害氮氧化物，这一点上，它与化石燃料没有本质区别。就气体的有害性而言，氮氧化物比二氧化碳更加可怕。

正因如此，尽管氢气内燃机曾一度被认为如投入生产将比其他环保技术便宜，改进型氢气燃料内燃机还是被多数科技人员放弃了。宝马公司曾经制造了数辆氢动力超级跑车，但结果却发现这些车并不比使用了催化转化器的旧车“清洁”多少。

因此，科研人员将工作重点转到了研发氢燃料电池上。氢燃料电池是利用化学反应来提取氢气的能量，而不是利用燃烧氢气来获取能量。氢燃料电池产生能量的过程与电解水完全相反：电解水是将水分解成为氢气和氧气，氢燃料电池是让这两种气体发生电化学反应，在电化学反应过程中，能产生出水与电流。氢燃料电池对外排放出的只是水蒸气和热量。

燃料电池结构很简单，车载质子膜交换型氢燃料电池有一个正电极和一个负电极。这两个电极被电解质隔开，该电解质是一种铂钯催化剂包裹下的聚合物膜；氢气被气泵从燃料箱输送到燃料电池正电极一侧，燃料电池的负电极一侧则充满了从空气中提取的氧气。

在氢气从正电极向负电极移动的过程中，催化剂从氢原子里提取电子，只让氢离子（质子）向负电极移动，氢离子在进入负电极区域后，与氧原子发生化学反应，形成水分子。那些被质子膜排斥的电子被转移到外部电路上，电子在从正电极向负电极移动的过程中，为连接在电路上的设备做功（为加热器、电动机、车灯等设备供电）。由于一个氢气质子膜交换电池的输出电压不足1伏，科技人员得将多个氢气质子膜交换电池连接起来，才能形成有用的输出电压，这让氢燃料电池组的外形看起来像切片面包。

氢燃料电池的效率比内燃机高出三至四倍。更重要的是，使用氢燃料电池的汽车属于电动汽车，却不用安装沉重的电池。因此，氢燃料电池的这种特点解决了普通电动汽车的两大问题：有限的行驶里程和较长的充电时间。只需将油箱加满氢气，氢燃料电池汽车的行驶里程能超过480公里，而将氢气油箱加满最多只需5分钟。而且，与电池电动汽车一样，氢燃料电池汽车也属于零排放汽车。

制造氢气并不环保

在美国，对于汽车制造厂商而言，汽车零排放是他们向相关州政府机构汇报的重要指标（特别是加利福尼亚州空气资源局），于是，厂商以此来表明他们正不遗余力地实现“零排放汽车”的目的。但电池动力的电动汽车行驶里程十分有限，充电时间太长，这让各州政府机构对其越来越失望，即便是将电池价格下降一半，行驶里程翻一番，仍然很难达到他们的要求。

相比之下，虽然氢燃料电池汽车看起来更像常规汽车，却能帮助汽车生产厂商更接近新法规定的强制要求。按照加利福尼亚州政府的规定，最新的清洁空气法规将于2025年实行，有人估计到那时，加利福尼亚州的零排放汽车的累积销量至少为150万辆。仅在一个平常年份，加利福尼亚州的新车销量就有170万辆。这意味着：为了达到加利福尼亚州政府制定的目标，从现在到2025年这段时间里，零排放汽车的销量至少要占到全部新车年销量的15%。

包括纽约州、康涅狄格州和曼切斯特州在内的美国其他七个州也制定了与加利福尼亚州政府类似的法规。上述八个州每年新车销量占到了全美新车销量的四分之一，这可是人尽皆知的事情。

人们注意到另一个现象就是燃料电池的成本在不断下降。尽管有人为研发锂电池技术投入了数十亿美元资金，但研发进程仍然相当缓慢，锂电池的价格仍然为每千瓦约2000美元，这个价格可不低。要知道，锂电池主要用于插电式电动汽车，是其动力装置的核心部件。与锂电池的价格相比，氢燃料电池的价格就不显得高得离谱了：2007年，本田汽车公司对外公布了100千瓦本田克拉里蒂氢燃料电池汽车，其氢燃料电池组价格为每套35万美元，平均1千瓦3500美元。这样也难怪本田公司有能力制造了200辆本田克拉里蒂来让公众试驾。

过去的六年时间里，汽车制造厂商将实验型氢燃料电池组的制造成本下调了一半，目前，氢燃料电池的价格每千瓦低于1500美元。按照美国能源部的估计，假如氢燃料电池不是手工制造，而是进行数以万计的大规模制造，其制造成本将低于每千瓦50美元，与当前的内燃机制造成本相当。

质子膜交换型氢燃料电池使用铂和钯这两种贵金属作为催化剂，这是其无法大规模普及的另一个障碍。科研人员唯有找到一种性质与铂和钯化学催化性质相同，并且不容易被氢气燃料杂质（如一氧化碳）破坏的新型催化剂，这一问题才能得到解决。科研人员已经在铁基催化剂方面取得了一些进展，但铁基催化剂的活性太低，不具有实用性。另一方面，要是将铂-钯催化剂的催化活性提高，单个氢燃料电池的铂-钯催化剂用量就能降下来，氢燃料电池也能进行商业应用。现在，两种降低氢燃料电池催化剂成本的方法都在研究之中，在接下来的10年内，人们应当能见到这些科研结果。

即便上述问题都得到了解决，氢燃料电池汽车还是无法得到大规模的运用。首先，氢气燃料的供应是个问题，必须在全国范围内建好氢燃料运输基础设施，氢燃料电池汽车才能进入普通顾客的车库。美国已经在其国内建好了约100个氢气加气站，但对公众开放的氢气加气站还不到12个，其他加气站只是为工业、军队、政府机关和科研单位提供专门氢气供应。

加利福尼亚州政府批准了一个氢气加气站十年投资计划，按照该计划，亚州政府将在未来十年里，每年为建设公众氢气加气站拨款2000万美元。照此推算，仅在全美建设氢气加气站网络的成本就将高达200亿美元。但有一份研究报告指出，如果将氢气加气机普及程度提高到加油泵的普及程度，美国政府至少能节省5000亿美元。

接下来就是氢气来源的问题。现在，工业用氢（通常被用作炼油原料、化工原料、电子工业原料和食品工业原料）的生产方式是将水蒸气注入天然气，让天然气的分子结构重组，从而得到氢气。这种氢气制造方式并不环保。按照设在科罗拉多州的美国国家可再生能源实验室的说法，使用蒸汽重组法每生产1公斤氢气，将产生11.9公斤二氧化碳。如果按照本田克拉里蒂氢燃料电池汽车的能耗来计算，每行驶1公里，就相当于将108克二氧化碳排入大气中。

短期内不能淘汰燃油发动机

与之相比，大众化小型柴油轿车的二氧化碳排放量为每公里90克。仅从二氧化碳排放量来看，即便是配置汽油发动机的丰田普锐斯混合动力汽车，其二氧化碳排放量为每公里104克，也比使用氢燃料电池的本田克拉里蒂要环保一些。必须承认，化石燃料的采油过程、提炼过程和运输过程也会向大气排放二氧化碳，但随着时间的推移，使用化石燃料的内燃机正变得越来环保。从钻井平台到汽车油箱，二氧化碳排放量在化石燃料的整个使用过程中正在逐渐减少；换句话讲，变得越来越环保的常规汽车无形之中给所谓的零排放汽车施加了不少压力。

一旦加利福尼亚州和其他州的汽车零排放法规生效，蒸汽重组法氢气生产方式将被禁止，因为该生产方式虽然生产成本低，但污染严重。人们只能使用电解水方式生产氢气，此生产方式用电流将水分解成氢气和氧气，整个生产过程不会排放温室气体，虽然其环保性好，成本却较高。此外，为达到整个生产过程都不产生温室气体的效果，电解水的电力只能来自于像风电、太阳能电力、水电和核电这些没有二氧化碳排放的能源。

不幸的是，这些可再生能源并没有能够很好地普及。同时，全球可开发的水电资源也所剩无几。从长远来看，唯有核电是最好的选择。

汽车制造厂商一再强调：在缺少清洁电力资源的情况下，如果强行要求厂商制造插电式电动汽车和氢燃料电池汽车这样的零排放汽车，只会加重污染。可以说，氢燃料电池汽车的普及仍将遥遥无期。