燃料电池电动汽车的发展

燃料电池电动汽车的发展

左万祥,吴明星

仪征技师学院 仪征红旗幼儿园 江苏 仪征 211400

摘要：能源和环境问题已成为传统汽车发展的最大障碍，融合各种高新技术，立足于氢能基础上的燃料电池汽车为汽车工业的进步注入了活力。燃料电池汽车目前还面临众多的技术问题，在成本上离商业化还有不小的距离，但燃料电池汽车拥有无以比拟的良好性能，代表了电动汽车的发展方向。

关键字：燃料电池；电动汽车

引言

　　汽车的出现促进了经济发展，改善了人们生活。汽车工业已经成为世界主要工业化国家的支柱产业和一个国家现代化水平的重要标志之一。随着汽车产量和保有量的日益增多，以石油产品为动力源的车辆所排放的废气成了影响地球气候和城市环境污染的主要来源，此外能源短缺问题也越来越严峻。能源和环境问题已成为传统汽车发展的最大障碍，寻找和发展新的汽车洁净动力源是当今汽车领域研究的热点。20世纪90年代以来，融合各种高新技术而兴起的，立足于氢能基础上的燃料电池汽车代表了电动汽车的发展方向。

　　一、燃料电池汽车的应用前景

目前的电动汽车主要分为纯电动汽车(BEV，Battery Electric Vehicle)、混合动力电动汽车(HEV，Hybrid ElectricVehicle)和燃料电池电动汽车(FCEV，FuelCell Electric Vehicle)三类。

电池是电动汽车发展的首要关键，汽车动力电池难在 “低成本要求”、“高容量要求”及“高安全要求”等三个要求上。要想在较大范围内应用电动汽车，要依靠先进的蓄电池经过10多年的筛选，现在普遍看好的氢镍电池，铁电池，锂离子和锂聚合物电池。氢镍电池单位重量储存能量比铅酸电池多一倍，其它性能也都优于铅酸电池。但目前价格为铅酸电池的4-5倍，正在大力攻关让它降下来。铁电池采用的是资源丰富、价格低廉的铁元素材料，成本得到大幅度降低，也有厂家采用。锂是最轻、化学特性十分活泼的金属，锂离子电池单位重量储能为铅酸电池的3倍，锂聚合物电池为4倍，而且锂资源较丰富，价格也不很贵，是很有希望的电池。我国在镍氢电池和锂离子电池的产业化开发方面均取得了快速的发展。

　　燃料电池电动汽车以电动机为动力，用燃料电池作为能源转换装置，利用氢气作为燃料。与传统内燃机汽车相比，FCEV不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，具有能量转化效率高、环境友好等内燃机汽车不可比拟的优点，同时仍然可以保持传统内燃机汽车高速度、长距离行驶和安全、舒适等性能，被认为是21世纪首选的洁净、高效运输工具。国内外专家普遍认为燃料电池技术将成为21世纪汽车工业核心。国家863计划中，明确将燃料电池汽车发展放在了我国的电动汽车发展的首位。

　　二、燃料电池种类及性质

　　燃料电池是利用燃料(氢气)和氧化物的电化学反应，将燃料的化学能直接转化为电能的高效发电装置。通常由氧电极、燃料电极、电解质和催化剂等组成。

　　燃料电池种类繁多，按照电解质的种类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)等。

　　(一)碱性燃料电池

　　碱性燃料电池的电解质为氢氧化钾(KOH)，在燃料电极处以多孔镍(Ni)或铂(Pt)为催化剂。在氧化极处以多孔银(Ag)或金属氧化物、尖晶石等为催化剂。一般以石墨、镍和不锈钢作为结构材料。碱性燃料电池是开发研究较早的一种燃料电池，其氧电极在碱性电解质的极化要比在酸性电解质的极化小得多，还可以用非贵重金属作为催化剂，结构材料价格比较低廉。可以通过对氢燃料量的控制，实现对其发电量的控制。但是碱性燃料电池需要以纯氢为燃料，如果燃料中含有碳，碳与氧化合成一氧化碳会引起催化剂产生“中毒”现象而逐渐失效，使燃料电池效率降低或完全损坏，二氧化碳也会被碱性溶液所吸收化合成碳酸盐，因此碱性燃料电池的燃气必须经过处理来清除一氧化碳和二氧化碳后方能使用。碱性燃料电池的工作温度低，其余热利用价值较低。另外在阳极上铂(Pt)的用量大，使得碱性燃料电池的成本增加。

　　(二)熔融碳酸盐燃料电池

　　熔融碳酸盐燃料电池以多种碳酸盐混合物作为电解质，在氧电极采用了掺锂(Li)的氧化镍作为催化剂，在燃料电极采用了多孔镍(Ni)作为催化剂。熔融碳酸盐燃料电池采用非贵重金属作为催化剂，降低了使用成本。能够耐受CO和CO2的作用，可采用富氢燃料。用镍(Ni)或不锈钢作为电池的结构材料，材料容易获得并且价格便宜。熔融碳酸盐燃料电池为高温燃料电池，余热温度高，余热可以充分利用。　　三、燃料电池汽车的技术关键

　　燃料电池汽车代表着未来汽车发展的方向，但从目前的技术条件来看离实现全面的商业化还有一定的距离。

　　(一)燃料电池发动机

　　独立的燃料电池堆是不能作为汽车发动机的，必须和燃料供给系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统及能控制各种阀件、传感器和水、热、气调节装置的控制系统等附属系统结合在一起才能对外输出功率。

　　燃料的纯洁度关系着电池的性能和可靠性。燃料电池的功率密度随氧气压力的增大而升高，但使用空气压缩机提高空气供给压力又会因压缩机的寄生功率使得输出功率降低。电池内部的水/热管理是燃料电池的难点和重点，是决定电池性能的关键。低温运转的燃料电池堆，热量排出很困难。燃料电池需要潮化薄膜和阳极、阴极气体，使质子转移以产生电力，当在冰点以下温度停车时，发生冷启动问题。

　　(二)燃料的制备、储存和运输

　　燃料电池车的续驶里程取决于所携带的氢的量，燃料的选择、存储与供给体系及安全问题与汽车主体结构同样重要。燃料电池可以使用多种燃料，但主要为氢气、天然气和甲醇。

　　直接储存氢气的方式是将氢气直接补充给电动汽车，虽然车上无需改性器，汽车系统较简单，但必须另外建立补充氢气的设施。常用的储氢方法有：气态压缩储氢、液态储氢、金属氢化物储氢等。碳纳米管和碳晶须储氢材料技术还处在实验室研究阶段。碳化氢系液态燃料改性方式，其燃料补充及补给设施的建立是较容易的，而且具有持续行驶里程长的特点，但是，改性器的存在带来较多技术问题，如增加了车辆的体积和重量，还有响应性能、启动性能方面的问题，而且，含有杂质的改性气体还会使燃料电池发电特性恶化等问题。

　　氢气挥发性高，扩散快，在管道、容器中容易泄漏。当氢气在空气中的浓度达到4％时，就有可能引起爆炸。燃料系统的安全性也是关键问题之一。