燃料電池汽車研究論文

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、引言

早在19世紀法國科幻小說鼻祖凡爾納的小說中，預想家們就預言，有朝一日社會將通過以氫為基礎的能源而被徹底改造。這種重量很輕的氣體是宇宙中最豐富的元素，它能夠從水中制成；它出奇地潔凈；燃燒時排放出基本上是新鮮的蒸汽。當被輸人到產(chǎn)生電力的燃料電池中時，它提供空前的效率一這些電化學反應堆從燃料中所攝取的有用能量高達內(nèi)燃機的兩倍。

當人類步人21世紀，開始面臨著巨大的能源壓力。傳統(tǒng)的能源（主要是不可再生的化石燃料）正

日趨枯竭，過度依賴石油進口引起地緣政治不穩(wěn)定而且化石燃料燃燒后排放的廢氣造成嚴重的空氣污染，甚至加速氣候變化，因此要實現(xiàn)經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展，尋找新的替代能源迫在眉睫。氫能作

為最潔凈、高效的新能源，已經(jīng)引起全世界的廣泛關注。

燃料電池（FC）技術的突飛猛進使得氫能的夢想在21世紀開始變成現(xiàn)實。近年來，以氫為動力的

燃料電池汽車（FCV）得到了世界各國政府和企業(yè)的高度重視，并且取得了重大進展，預計在未來的5--10年內(nèi)FCV將正式進人市場，以加氫站、輸氫管道建設為標志的“氫經(jīng)濟”初露端倪。

二、燃料電池技概群汽車上的應用

FC是一種將儲存在燃料（氫）和氧化劑（氧）中的化學能通過電化學反應直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其過程不涉及燃燒，無機械損耗，能量轉(zhuǎn)化率可高達80％，產(chǎn)物僅為電、熱和水蒸氣；而且FC運行平穩(wěn)，無振動和噪音，所以被認為是21世紀的綠色能源。

FC技術在汽車上的應用給汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了革命性的突破，同時也推動了自身的發(fā)展。FC可以用作汽車的（輔助）動力電源，也可以用作輔助電源（APU）。

事實上，人們考慮更多的是FC電動汽車（FCEV），它不同于傳統(tǒng)汽車，其動力來自FC，而不是內(nèi)

燃機，可以減少燃料消耗，產(chǎn)生更少的污染物排放，當以氫作燃料時，能真正實現(xiàn)汽車的“零排放”，因此更符合人們的經(jīng)濟環(huán)保觀念。此外，在能量耗盡后，F(xiàn)CEV不像傳統(tǒng)的蓄電池電動汽車（BEV）那樣需要長時間充電，而只需補充燃料即可繼續(xù)工作，這一點對汽車駕駛者來說尤為方便。

目前開發(fā)的FCEV主要用兩種類型：純?nèi)剂想姵貏恿嚭腿剂想姵匾恍铍姵鼗旌蟿恿嚒＜內(nèi)剂想姵貏恿嚥捎么蠊β实腇C堆棧，以確保在沒有后備蓄電池的情況下能提供啟動、瞬時加速的動力；而燃料電池--蓄電池混合動力車以蓄電池為主動力，小功率的燃料電池用作續(xù)程器。

當FC用作APU時，汽車使用內(nèi)燃機驅(qū)動，部分燃料通過FC更有效地轉(zhuǎn)化為電能，它可以為汽

車輔助設備提供足夠的功率，使汽車變得更舒適、更環(huán)保、更安全。

汽車用FC研究最多、最成功的是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。PEMFC作為第五代FC，由于具有能量轉(zhuǎn)化率高、低溫啟動、無電解質(zhì)泄漏等特點，被公認為最有希望成為電動汽車的理想動力源。但是由于PEMFC需采用貴金屬Pt作為電極催化劑，不僅提高了成本；而且限制了燃料只能采用純氫，因為燃料中的微量CO也可導致Pt中毒。對于甲醇、汽油等燃料，必須經(jīng)過重整純化，從而增加了系統(tǒng)的復雜性。近年來，PEMFC技術取得了重大突破，燃料已經(jīng)實現(xiàn)內(nèi)重整，使得系統(tǒng)體積大為減少，有望進一步“減負”；更重要的是催化劑中pt載量大為降低，成本問題有望得到解決，相信PEMFC汽車在不久的將來能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。

在PEMFC的基礎上，以甲醇代替純氫直接作為燃料，可以大為簡化系統(tǒng)，這種PEMFC稱為直接甲醇燃料電池（DMFC）。DMFC具有體積小、重量輕、燃料來源豐富、價格便宜、儲存攜帶方便等優(yōu)點，是理想的汽車動力源。對于DMFC而言，甲醇的陽極氧化遲緩及甲醇通過Nafion膜（全氟磺酸膜）的滲透所引起的陽極性能衰減是限制DMFC發(fā)展的主要問題。目前許多研究人員正在開發(fā)新的替代Nafion膜的聚合物膜，也取得了很大的進展。提高甲醇氧化的催化劑活性，減少貴金屬用量也是DMFC技術實用化的關鍵。專家們認為這項技術距離實用化至少還需7年時間。盡管如此，許多人仍把它作為FCV的首選技術進行開發(fā)和研究。

固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種全陶瓷結(jié)構(gòu)FC，其能量轉(zhuǎn)化效率最高，操作方便，無腐蝕，與PEMFC相比，燃料適用面廣，不須用貴金屬催化劑，而且不存在DMFC的液體燃料滲透問題。但是

SOFC受電解質(zhì)所限，須高溫（1000℃左右）工作，導致啟動慢，這是SOFC在汽車上應用的致命弱點。

隨著SOFC技術的發(fā)展，其操作溫度降至700－800℃，與燃料的重整條件接近，可以實現(xiàn)燃料的直接

內(nèi)重整，不僅降低了堆棧成本，而且簡化了熱管理，使系統(tǒng)變得更緊湊，已經(jīng)被用作汽車的APU。最

近低溫SOFC的研究取得了突破性進展，采用新型低溫固體電解質(zhì)和高活性的電極材料，使工作溫度降至500℃以下，若將其再與蓄電池或超級電容器聯(lián)用，就可以用作汽車的動力源。無論是從技術還是從成本來看，低溫SOFC汽車都有希望與PEMFC汽車在未來的FCV市場上一較高下。

除了上述三種FC在汽車上有很好的應用前景，堿性燃料電池（AFC）和磷酸燃料電池（PAFC）這

兩類最早開發(fā)的FC也被應用于汽車，目前均有相應的樣車推出。但是在汽車上的應用并不成熟，還有大量的技術問題有待解決，所以不為人們所關注。FC技術日新月異，新的FC將綜合各種現(xiàn)有FC技術的優(yōu)點，有望開發(fā)出性能更好、更實用的FCV。

三、燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化前景

目前FCV的產(chǎn)業(yè)化至少有三大困難要克服：

一是成本問題。由于要用到貴金屬Pt，因此成本居高不下。現(xiàn)在石油比氫便宜得多，但隨著石油的減少，價格上升，再加上污染環(huán)境治理的成本，氫就顯得更經(jīng)濟。此外，批量生產(chǎn)FC，研制新的電池材料，可以進一步降低成本。

二是氫源問題，包括氫的制備、儲存與運輸。地球上的氫雖然蘊藏豐富，但是不易直接獲得。氫通常通過電解水獲取；也可從石油、天然氣和煤等化石燃料中轉(zhuǎn)化而得。但是從長遠考慮，氫必須通過可再生能源獲得，如生物能、水電、太陽能、風能或地熱能。對于FCV來說，提取氫燃料固然重要，但更重要的是如何安全、有效地將氫儲存在汽車上。原則上，氫的儲存方式有3種：高壓氣態(tài)、低溫液態(tài)和固態(tài)。固態(tài)氫是用金屬及合金的氫化物吸附氫，就像海綿吸水一樣，儲氫效率很高，安全性好，是目前最理想的儲氫方式。

三是加氫站等基礎設施缺乏，這是困擾FCV產(chǎn)業(yè)化的最大障礙。如果沒有大量方便的加氫站，

FCV不可能正式走上高速公路，但如果沒有大量的FCV所產(chǎn)生的需求，大量的加氫站又不可能出現(xiàn)。要解決這一矛盾需要政府、社會、能源公司的方方面面的參與。政府部門要從政策上、資金上給予大力支持，鼓勵社會融資和企業(yè)投資，就有可能辦好基礎設施建設。

如果解決了FCV面臨的主要問題，F(xiàn)CV開始進人千家萬戶，那么我們身邊的社會將會發(fā)生巨大的變化。那時，我們將看到過去嘈雜、污濁的高速公路上只有清潔環(huán)保的FCV奔馳的身影。

同時，與燃料電池相配套的工業(yè)也將迅速發(fā)展：汽車加油站將變?yōu)樗耐ò诉_的加氫網(wǎng)；煉油廠不

再是熱門的汽車附屬工業(yè)，“煉”氫廠將扮演燃料生產(chǎn)的重要角色。FCV將不僅是潔凈未來和新型汽車經(jīng)濟的催化劑，同時也是全球氫經(jīng)濟的發(fā)展動力。

四、結(jié)語

FCV以其零尾氣排放和對能源的獨立性，實現(xiàn)了汽車工業(yè)長期夢寐以求的目標，并向世人展示了其良好的應用前景。我國傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后，發(fā)展FCV是趕超世界汽車工業(yè)先進水平的唯一機

會。我國在FC技術開發(fā)上擁有一定的優(yōu)勢，結(jié)合先進的汽車制造技術，爭取盡快將FCV推向市場，

相信在2008年北京奧運會上能夠一睹國產(chǎn)FCV的風采。