燃料电池与电动汽车

栏 目主持 郑乃 金 汽车与技术 八 几 丫 口 燃料电池 与电动汽车 王 伟 、 赵云峰 、 孙红海 、 田 海 中国人民解放 军军事交通 学院 电动汽车是未来汽车发展 的趋 势 , 电池技术又是 电动汽车的关键 技术 , 电动汽车用的蓄 电池主要有 铅酸 尸匕一 蓄电池 、 镍镐 一 蓄电池 、 钠硫 一幼蓄电池 、 镍氢 州 一回 蓄电池 、 锉 日 电池 、 锌 一 空 气电池 、 飞轮电池 、 燃料 电池和太阳 能电池等 。 在诸多种 电池中 , 燃料电 池是迄今为止最有希望解决汽车能 源短缺 问题的动 力源 。 燃料 电池具 有高效无污染 的特性 , 不同于其他 蓄电池 , 其不需要充 电 , 只要外部不 断地供给燃料 , 就能连续稳定地发 电。 燃料电池汽车 厂 仁 具有可与 内燃机汽车媲美的动力性能 , 在排 放 、 燃油经济性方面 明显优于 内燃 机车辆 , 因此它的发展倍受关注 。 虽然燃料 电池 的发展仍存在若 干技术难题 , 但可以预见 , 随着技术 的进步 , 燃料电池汽车必将在人们 的生活中发挥越来越重要的作用 。 燃料电池的工作原理和性能特点 燃料电池 「 是一种将化学能 直接变成电能的电化学反应装置 , 通 常由多孔渗透的阳极和阴极以及连接 它们的电解质组成 。 依据燃料电池电 解质的不同 , 可以分为碱性燃料电池 、 酸性燃料电池 尸八「 、 质子 交换膜燃料电池 「 、 熔融碳酸 盐燃料电池 冈 厂 和固体氧化物燃 料电池 「 五种 。 在上述电池中 , 适用于电动车辆的有碱性和质子交换 膜燃料电池两种 , 尤其是后者最近几 年发展较快 , 应用较广 。 质子交换膜燃料电池的工作原理 质子交换膜燃料 电池使用固体 聚合隔膜作 电解液 。 隔膜夹在 多孔 阴阳 电极之 间 , 使 用铂作为 电极反 应催化剂 。 燃料 氢 作为阳极的工 作物质 , 氧 空气 作为阴极的工作 物质 。 反应物和生产物之 间的能差 以阴阳极之 间的能差和流过外 电路 的 电流稀放出来 。 燃料 电池化学反 应的产物只有普通的水和少许热量 , 燃料电池汽车将实现完全的零排放 , 具有极佳的燃料经济性 。 燃料电池的性能 评价燃料电池 的性能主要是其 极化曲线 电压和 电流密度的关系 曲线 。 影响燃料 电池性能 的因素 有 质子交换膜与电极特性 、 电池单 元体的设计性能 、 工作温度 、 工作压 力和气体纯度等 。 燃料电池的放 电 特性如图 所示 , 图中 ‘ 为燃料电池 的额定放 电电流 , ‘ 为电池的极限放 电电流 , 。 、 姚 、 分别为电池的电 化学极化 、 浓差极化和欧姆极化时 的过 电压 。 火女 一 口 侧 一 州 一 月 口 过 卜 、多 卜卜嗯脚阅脚 图 燃料 电池的放电特性 质子交换膜燃料 电池 用于 电动 汽车具有明显 的优点 , 在所有的燃 料 电池中 , 尸 问 比功率最高 , 因此 其 电池的体积小 工作温度低 , 适用 于车辆迅速启动 采用固态 电解液 , 不会 出现 电解液变形 、 移动和蒸发 生成物为水 , 环保性好 。 但缺点是使 用贵金属铂作 电极反应催化剂 。 燃料电池在电动车辆上的应用 燃料 电池 的输出功率和效率之 间的关系如图 所示 。 从图中可以看 出 , 燃料 电池 的输 出功率很小或很 大时 , 其效率都比较低 , 只有在中间 很窄的一段范围内较高 。 因此单独 利 用燃料 电池作为 电动车辆的动 力 世界汽车 汽车与技术 栏 目 主持 郑 乃金 一一 功 率 认 图 燃料电池输出功率与效率之 间的关系 源是不现 买 的 , 必须将燃料 电池与 其他储能装 酱结合起来使 用 , 现实 中一 般是将燃料 电池与高压 电池组 或超级 电容器并联 。 燃料电池发展过程 中存在的问题 虽然燃料 电池汽车在理论上具 有比内燃机车辆优越 的经济性 、 动 力性和扫放性 , 但在替代 内燃机车 辆的过程 中还有若干的技术难题有 待解决 。 飞 降低成本 到 目前为止 , 燃料 电池汽车仍 然甘分 昂贵 。 燃料 电池汽车要达到 买 用 化 的 程 度 , 至 少 需 要 产 牛 〔一 门浏 的功率 。 当 气八第一次 将燃料 中池技术 川 于 电动车辆刚 燃料电池成本大约是 明 万美元 铡 , 今天 介格 已劣 降到 上加 美元 侧 , 但 即使 示 , 也意味着 电动汽车的燃 科 电池 价值 名万美元 以上 , 约 是普 通 内燃机 一名马 美元 的 倍 。 如 回价低 戎本 星燃料 电池汽车实用化 白勺关键 。 降低氢气的储存 成本和使用成本 燃料 电池发展的 一个基本难题是氢气 储存困难 。 目前燃料 电池汽车所用的燃料 主要有三种 氢 、 甲醇 和汽油 。 氢气 的储存 主要有三 种方法 , 其 一氢气可以直接利用 , 此时车辆需 要携带一 个充满高可燃性气体 的高压容器 , 需要 的 空间很大 。 · 其二氢气 也可以液态形式储存 , 那样又需要很复杂的 制冷设备和更安全的 压缩技术 。 其三使氢 气 与金属镁和钥反应 形成储氢金属 , 但是 集成所有关键系统的日 翎 燃料电池车底盘 此时氯气分离温度高 储氢镁分离 温度 了叱 , 月此时其比能量较低 储氢钒比能量为 一 同卜 门 。 目前也有使用甲醇作为燃料的 , 通过甲醇和水混合 、 蒸发 , 经过车载 重整器转化为氢气和二氧化碳气体 。 甲醇虽然储存安全 , 但 甲醇重整对 纯净度和转化温 度有很高 的要求 , 目 甲醇有一 定的青性 , 会对人体造 成危害 。 凤凰燃料电池车 只 汽油裂化困难 在路上从汽油中提取氢是非常困 难的 , 甚至 比裂化甲醇还困难 。 汽油 裂化反应需要在 阶 一 川朋飞温度下进 行 , 并 巨当燃油裂化结束刚 , 冷却它 也很困难 。 此外在汽油裂化过程 中将 产生 吓 和其他可导致温室效应的气 体 。 另一个难以解决的问题是防止燃 料电池存催化剂作用下发生硫化反应 〔 设备开支问题 设 备开支 问题 对 燃料 电 , 池汽 东 的买用化 也十分重要 。 燃料电池汽车 用来保护复杂的电池反应堆的装置和 相关的费川都有待 丁进一步降低 , 巳 防结冰问题 结冰性是燃料 电池的致命弱点 。 燃料 一 电池拍工作过程 中 , 仁可避免地 产生 水。 在低温的情现 下 , 水结成冰 会破坏聚合隔膜 。 更人的问题是 申池 反应堆在低哥 〔〕 时是 不会产牛 电流 的 , 如何使在 一朋一绷守温度下 已经 冻透的反应堆很快的正 常工作将是 一 个难点 世界汽车