燃料电池电动汽车：特点、类型、结构与应用实例解析

燃料电池电动汽车：特点、类型、结构与应用实例解析

燃料电池电动汽车是指采用燃料电池作为发电系统，利用燃料电池发出的电能驱动电动机，将电能转化为机械能再传递给传动系统驱动车辆行驶的汽车。本章介绍了燃料电池电动汽车的特点、类型、结构部件、燃料电池、动力系统及应用实例。 燃料电池电动汽车概述 6.1.1 燃料电池电动汽车基本术语 GB/T 24548-2009《燃料电池电动汽车术语》规定了燃料电池电动汽车相关的术语和定义。 （1）燃料电池 燃料电池（fuel cell）是通过电化学反应，将外部供给的燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置。 （2）燃料电池电动汽车 燃料电池电动汽车（FC.EV）是以燃料电池系统作为动力源或主动力源的汽车。FCEV一般采用质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为车载能源。 燃料电池电动汽车是一种电动汽车，其动力系统主要由燃料电池发电系统、燃料箱、驱动电动机、动力电池等组成。以燃料电池发电为主要能源，通过电动机驱动车辆前进。本田的燃料电池电动汽车动力系统如图6-1所示。

燃料电池是利用氢气和氧气（或空气）在催化剂作用下，通过电化学反应（而不是燃烧）直接发电的装置。燃料电池的化学反应过程不产生有害产物，因此燃料电池汽车是无污染汽车。燃料电池的能量转换效率比内燃机高2～3倍。从能源利用和环境保护的角度看，燃料电池汽车是一种理想的汽车。 6.1.2 燃料电池电动汽车的特点 （1）优点 与传统汽车和纯电动汽车技术相比，燃料电池电动汽车有以下优点。 82 电动汽车技术 ①零排放或近零排放，绿色环保。燃料电池电动汽车本质上是零排放汽车。燃料电池没有燃烧过程，若使用纯氢气作燃料，通过电化学方法将氢气和氧气化合，生成物是洁净的水。若使用其他含氢丰富的有机化合物作燃料电池燃料，除水外，还可能通过车载重整器产生氢气。 也可能产生少量的CO2，但其排放量比内燃机少得多，也没有其它污染排放(如氮氧化物、硫氧化物、碳氢化合物或颗粒物)，接近于零排放，与传统汽车相比，不仅减少了因漏油造成的水污染，而且减少了温室气体排放。 ②能量转换效率高，节能。燃料电池的能量转换效率极高，燃料电池没有活塞或涡轮等机械部件和中间环节，不经过热机过程，不受热力学循环(卡诺循环)的制约，因此能量转换效率高。燃料电池的化学能转换效率理论上可达100%，实际效率已达60%～80%，是普通内燃机热效率的2～3倍(汽油、柴油机的车用效率分别为16%～18%和22%～24%)。 因此从节能角度来看，燃料电池汽车明显优于采用内燃机的普通汽车。

③燃料多样化。优化能源消费结构。燃料电池所用的氢燃料来源广泛，自然界中氢气可大量储存于水中，既可由水分解制取，也可从可再生能源中获得，如天然气、丙烷、甲醇、汽油、柴油、煤炭、可再生能源等。燃料来源多样化有利于能源供应安全和利用现有的交通基础设施（如加油站等）。燃料电池不依赖石油燃料，各种可再生能源均可转化为氢能进行有效利用，减少对石油资源的依赖，优化交通能源结构。④续驶里程长，性能优于其他纯电动汽车。采用燃料电池发电系统作为能源，克服了纯电动汽车续驶里程短的缺点，其长距离行驶能力和功率已接近传统汽车。燃料电池汽车可在车上发电，只要带足燃料，就能载我们去任何想去的地方。 燃料电池电动汽车在成本和综合性能(特别是在续航里程和加油时间方面)等方面都明显优于其它电池电动汽车。 ⑤过载能力强。燃料电池除了在很宽的工作范围内具有很高的工作效率外，其短时过载能力可达额定功率的200%以上，更适合汽车的加速和爬坡，燃料电池的短时过载能力可达额定功率的200%。 ⑥运行平稳、噪音小。燃料电池是静态的能量转换装置，除空气压缩机和冷却系统外，没有其它运动部件。因此，与内燃机汽车相比，它没有电动机的轰鸣声，运行时噪音和振动都小。

（2）缺点汽车界普遍接受的一个观点是，燃料电池技术是内燃机技术的最佳替代，代表着汽车未来的发展方向。但是，如果考虑到燃料电池汽车发展的几个制约因素，就会发现，目前以及今后一段时间，燃料电池汽车都还无法实现商业化。 ①燃料电池汽车的制造成本和使用成本过高。制约燃料电池汽车推广应用的最大因素之一就是燃料电池的生产成本一直居高不下。如何降低燃料电池的生产成本，成为燃料电池汽车走向实用化的关键。据美国能源部统计，目前燃料电池的生产成本已降至500美元/千千瓦。专家估计，只有燃料电池的生产成本降到50美元/千瓦，才能被消费者接受。也就是说，当一台80kW的汽车燃料电池的成本降到目前一台汽油机3500美元的价格时，就能创造出巨大的市场效益。 从市场经济学角度看，成本过高难以实现市场化推广，无法实现市场化就无法大规模量产，进而成本无法降低，最终造成成本与销量的恶性循环。另一方面，燃料电池汽车的使用成本过高，氢气价格并不便宜，因此燃料电池汽车的运营成本不容乐观。目前，燃料电池发电系统提供1kW•h电能的成本远高于各种动力电池。这从一个侧面反映出燃料电池距离作为汽车的动力源还有相当远的距离。

②启动时间长，系统抗震能力有待提高。以氢为燃料的FCEV启动时间一般需超过3mm，而采用甲醇或汽油重整技术的FCEV启动时间则长达10mm，远大于内燃机汽车的启动时间，影响其机动性。另外，FCEV在受到振动或冲击时，各类管路的连接、密封可靠性还有待进一步提高，防止发生泄漏，降低效率，严重时造成安全事故。③经济、无污染地获取纯氢燃料还存在技术难度。通过重整或改质技术将传统化石燃料转化为纯氢天然气，不仅消耗大量能源，并不能从根本上摆脱对化石能源的依赖，也不能从根本上消除对环境的污染。自然界中，氢能大量储存于水中。 虽然取之不尽，但直接利用热分解或电解水制氢显然不经济。因此，多数科学家把目光转向太阳能的利用，但还存在不少技术障碍。目前，他们正开展太阳能水分解制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等研究。只有能从可再生能源中廉价地生产出氢燃料，才能从根本上解决氢燃料电池民用汽车的燃料问题。④氢燃料电池汽车燃料的供应还有不少技术难题需要解决。氢气通常可以高压气态、液态和氢化物三种状态储存和运输。

常用的压缩气罐中储存的氢气只能为燃料电池汽车提供150km的续驶里程，续驶里程太短，不如电池驱动的汽车。由于氢气是分子最小的物质，极易发生泄漏，即使少量泄漏也可能造成极其可怕的后果。-253℃液氢储存深度制冷技术尚不成熟，全球范围内能加注液氢的加氢站并不多，好在储氢材料研发取得了一定的进展。 ⑤供燃料辅助设备复杂，质量体积大。以甲醇或汽油为燃料的FCEV，从重整器出来的“粗氢”中含有少量的有害气体，会“毒害”催化剂，使其失效，必须经过相应的净化装置处理，增加了结构和工艺的复杂性，使系统变得笨重。 目前普遍使用氢燃料的FCEV都需要高压、低温、防护的专用储罐，导致体积较大，也给FCEV的使用带来诸多不便。⑥稀有金属铂Pt的大规模应用也制约了燃料电池电动汽车的推广应用。稀有金属铂是燃料电池必不可少的反应催化剂，按照现有燃料电池对铂的消耗量计算，如果把地球上的铂储量全部用来制造车用燃料电池，也只能满足几百万辆汽车的需求。⑦加氢站等基础网络设施建设几乎为零，目前全球投入使用的加氢站仅有100余座，且大部分用于实验目的。

如果说技术和成本是科研机构和企业可以自己通过艰苦努力解决的问题，那么相应配套设施的建设就不是一个人可以独自完成的，它需要在国家政策、产业链、基础设施建设等多方面做好准备，及时制定完备的行业标准和规范。加氢站等基础设施建设不仅涉及城市规划、交通、电力等，还要解决投资方和运营商的盈利问题，同时有效解决加氢核心技术和统一标准。对于具有一定续驶里程的公交车来说，这个问题可能很容易解决，但对于私家车来说，解决这些问题任重道远。 6.1.3 燃料电池电动汽车的结构形式 燃料电池电动汽车按照不同的分类方式，有多种结构形式，图6-2为燃料电池电动汽车结构形式分类框图。 根据燃料电池系统中氢燃料的来源，FCEV可分为两种类型：以纯氢为燃料的FCEV；以重整产生的氢气为燃料的FCEV。 按照驱动形式，FCEV 可分为两种类型： 纯燃料电池驱动（PFC）的 FCEV； 混合动力驱动的 FCEV。 84 电动汽车技术 按驱动类型分类 按能源分类 1 按混合动力驱动分类 车载纯氢燃料 重整电池驱动 按辅助电源分类 按燃料电池分类 燃料电池 燃料电池 rft.: 道路。 动力+赛道电池+电池+超级电容 混合型 混合型+超级电容 图 6-2 燃料电池电动汽车结构形式 混合动力驱动 FCEV 根据辅助电源分为以下三种类型： 采用燃料电池与辅助电池混合驱动（FC+B）的 FCEV； 采用燃料电池和超级电容混合驱动（FC+C）； 采用燃料电池、辅助电池和超级电容混合驱动的 FCEV（FC+B+C）。

混合动力FCEV根据燃料电池提供的电能占汽车所需总电能的比例不同，分为以下两种类型：能量混合型；功率混合型。由于燃料电池电动汽车的发展远未成熟，各种技术都在尝试，各有优缺点。下面就燃料电池电动汽车的各种结构形式及特点作一简单介绍。 (1)纯燃料电池驱动的FCEV 纯燃料电池汽车只有一个动力源即燃料电池，车辆的全部动力负荷由燃料电池承担。燃料电池系统将氢和氧反应产生的电能通过母线传输给驱动电机，驱动电机将电能转化为机械能后传输给传动系统，从而驱动汽车前进。图6-3为纯燃料电池电动汽车动力系统示意图。这种纯燃料电池驱动(PFC)的燃料电池电动汽车具有以下优点。 ①系统结构简单，便于系统控制和总体布置。 ②系统零部件较少，有利于车辆轻量化。 ③较少的零部件使整体的能量传递效率高，从而提高车辆的燃油经济性。 车轮 燃料电池系统 驱动电机 传动装置 车轮 图6-3 纯燃料电池驱动的FCEV动力系统示意图 其主要缺点有： ①燃料电池功率大，价格昂贵。 ②燃料电池系统的动力性和可靠性要求很高。 ③无法进行制动能量回收。 基于纯燃料电池汽车上述缺点，混合动力驱动得到了广泛的应用。

第六章 燃料电池电动汽车 85 以燃料电池系统为主动力源，同时增加电池组或超级电容或者电池组加超级电容作为辅助动力源，与燃料电池共同组成混合驱动系统驱动车辆。本质上这类燃料电池电动汽车采用的是混合动力结构，它与传统混合动力结构的唯一区别在于动力源是燃料电池而不是内燃机。燃料电池混合动力汽车由燃料电池和辅助储能装置共同向电动机提供电能，电动机通过传动机构驱动车辆行驶。 (2)能量混合动力FCEV 能量混合动力FCEV的特点是燃料电池提供的电能占车辆所需总电能的比例很小，燃料电池只能提供车辆行驶所需电能的一部分，不足的部分需要由电池或超级电容等其他动力源提供。这种混合动力结构的优点是燃料电池往往能工作在额定功率区，系统效率较高； 缺点是需要配备较大容量的电池，因此整车重量增加、动力性能变差，车辆布置空间紧张。每次作业后，电池除需要补充氢燃料外，还需利用地面电源进行充电。 (3) 动力混合动力FCEV 动力混合动力FCEV的特点是燃料电池提供的电能占车辆所需总电能的比例很大，以燃料电池为主要动力源，蓄电池或超级电容器为辅助动力源。车辆行驶所需的电能主要由燃料电池提供，蓄电池只在燃料电池启动、车辆爬坡加速以及车辆制动时回收再生制动能量时提供电力。

这种混合结构的优点是可以减少电池容量，有利于减轻整车重量，提高车辆动力性能；缺点是需要配备大功率的燃料电池，因此整车成本较高。燃料电池的运行随车辆工况波动较大。下面介绍三种以燃料电池系统为主动力源，加装电池组或超级电容器作为辅助动力源的FCEV。 (4)“燃料电池+辅助电池”混合驱动FCEV由燃料电池和辅助电池混合驱动的燃料电池电动汽车动力系统如图6-4所示。在这种动力系统结构中，有燃料电池和电池两个动力源，车辆的动力负荷由燃料电池和电池共同承担。即燃料电池和电池共同为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化为机械能并传递给传动系统，从而驱动车辆前进。 当燃料电池与蓄电池共同供给能量时，燃料电池的能量输出变化更加平稳，随时间波动更小，而能量需求变化的高频部分则由蓄电池分担。当燃料电池系统启动时，蓄电池为空压机或鼓风机的运转、电堆的加热、氢气和空气的加湿等提供电能。当汽车制动时，驱动电机变为发电机，蓄电池将回馈的能量储存起来。车轮燃料电池系统驱动电机传动装置车轮辅助肋条蓄电池图6-4 燃料电池与辅助蓄电池混合驱动的FCEV动力系统示意图这种“燃料电池+辅助蓄电池”混合驱动的FCEV具有以下优点。

①由于增加了辅助电池联合驱动，且辅助电池的电能价格低得多，系统对燃料电池的功率要求远低于纯燃料电池结构，从而显著降低了整车技术成本。 ②降低了对燃料电池动态特性的要求。 ③能够回收再生制动能量，提高整车能量效率。 ④车辆冷启动性能好。 ⑤当车辆启动时，功率需求不大时，电池可以单独输出能量。 ⑥燃料电池单独或与动力电池配合提供持续功率。当车辆启动、爬坡和加速时，动力电池提供峰值功率。 ⑦由于电池分担了能量需求变化的高频部分，燃料电池可以在相对较好的设定工况下工作，工作时燃料电池的效率进一步提高。 ⑧电池技术相对成熟，可以在一定程度上弥补燃料电池技术的不足。这种动力系统结构的主要缺点如下。 ①电池的使用增加了驱动系统的重量、体积和复杂度，影响整车动力性和经济性。 ②电池在充放电过程中会有能量损失，影响能量转换效率。 ③增加了电池的维护和更换成本。 ④系统的复杂性增加了系统控制和总体布置的难度。虽然“燃料电池+辅助电池”混合驱动FCEV还存在一定的问题，但目前燃料电池电动汽车动力系统的总体结构仍然是FC+B组合。

电动汽车上可使用的电池有铅酸电池、镍镉电池、镍锌电池、锌空气电池、铝空气电池、钠硫电池、钠镍氯电池、锂聚合物电池和锂离子电池等，电池种类繁多。目前，FC+B混合驱动系统主要有燃料电池直接混合系统和动力电池直接混合系统两种结构形式。 (5)“燃料电池+超级电容”混合驱动FCEV 燃料电池与超级电容混合驱动的结构与燃料电池与辅助电池混合驱动FCEV类似，只是将辅助电池换成了超级电容。在这种动力系统结构中，有两个动力源，燃料电池和超级电容。汽车的动力负荷由燃料电池和超级电容共同承担，即燃料电池和超级电容共同为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化为机械能，传递给传动系统，从而驱动汽车前进。 电池寿命短、成本高、使用要求复杂；而超级电容器充放电效率高、能量损耗小、功率密度比电池高，在回收制动能量、循环寿命长、使用成本低*等方面均比电池有优势，但超级电容器的能量密度相对较小。随着超级电容器技术的不断进步，该结构将成为重要的研究课题和发展方向，有利于FCEV的商业化应用。 （6）“燃料电池+辅助电池+超级电容器”混合驱动FCEV由燃料电池、蓄电池和超级电容器混合驱动的电动汽车动力系统如图6-5所示。

它是将一组超级电容并联到由燃料电池和辅助电池驱动的FCEV的电压母线上，用于提供加速或吸收紧急制动的峰值电流，减轻电池的负担，延长其使用寿命。在这种动力系统结构中，燃料电池、电池和超级电容共同为驱动电机提供能量，驱动电机将电能转化为机械能，传输到传动系统，驱动汽车前进；当汽车制动时，驱动电机变为发电机，电池和超级电容将回馈的能量储存起来。与“燃料电池+电池”混合驱动的FCEV相比，其优势更加明显，特别是在部件效率、动态特性、制动能量回馈等方面。当燃料电池、电池和超级电容共同供电时，燃料电池的能量输出更加平滑，随时间波动更小，而能量需求变化的低频部分由电池承担，能量需求变化的高频部分由超级电容承担。 各个电源的分工更加细致，使得它们的优势得到更好的发挥。其缺点也更加明显。①超级电容的加入，增加了整个系统的重量。②超级电容的加入，使得系统更加复杂，系统控制和总体布局的难度也增加了。

综上所述，对比三种混合动力驱动结构，FC+B+C组合被认为能够最大程度满足车辆起步、加速、制动等动力性和效率性要求，如果系统能够很好的匹配和优化，这种结构在给车辆带来良好性能方面更有吸引力，但其成本最高，结构和控制也最复杂。目前，燃料电池电动汽车动力系统通用结构仍为FC+B组合^燃料电池6.2.】燃料电池工作原理GB/T 24548-2009定义燃料电池（fuel cell）是一种将外部供给的燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置。正如定义所说，燃料电池本质上是一种电化学能量转换装置，是一种将燃料氧化的化学能直接转化为电能的“发电装置”。从功能上讲，它更像是一台发电机，而不是电池。 燃料电池是利用水电解的逆反应而产生的“发电机”，其基本结构与常见的电池类似，主要由阳极、阴极及两电极之间的电解质三部分组成，如图6-6所示。阳极和阴极含有电催化剂，以加速电极上的电化学反应。对于外电路来说，阳极称为负极，阴极称为正极。其发电方式与传统化学电池相同，电极提供电子转移的场所。阳极催化燃料负载（如氢气等）的氧化过程，阴极催化氧化剂（如氧气等）的还原过程。

与传统化学电源不同的是，它的燃料和氧化剂并不储存在电池内，而是储存在电池外的储罐内。燃料和氧化剂必须连续、独立地供给电池的两个电极，并在电极上发生反应。燃料供给阳极，在催化剂的作用下，燃料释放出电子，电子经外电路流向阴极，形成总电流回路。导电离子在隔开阳极和阴极的电解质中迁移，在阴极，正离子与氧结合，生成反应物或废气。电池中化学能转化为电能的过程是等温的，也就是说，在燃料电池中，化学反应的自由能可以在其工作温度下得到利用。电池在放出反应产物的同时，还需要排出一定的废热，以维持电池恒定的工作温度。燃料电池本身只决定输出功率，而储存的能量则由燃料和氧化剂的储罐决定。 以最简单的酸性氢氧燃料电池为例，说明燃料电池的工作原理。如图6-7所示，氢氧燃料电池工作过程中，Hb和O2不断供给阳极和阴极。在电催化剂的作用下，阳极02被氧化，产生氢离子和电子。氢离子在电场的驱动下，在电解液中向阴极迁移。同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过外电路定向移动做功。连接好后，电能便可输出给负载，最后到达阴极，形成总电流回路。在电催化剂的作用下，阴极02与从阳极转移过来的电子和氢离子发生还原反应，被还原为水，产生热能。

，阳极放电阳极h2-/f++/催化剂电解质外电路FTir++02+21^+2^—►20〇2（空气）阴极放电阴极图6-7酸性氢氧燃料电池工作原理示意图反应过程如下。阳极：2—-2 ++2e—阴极：+02 +2 + +2e_ ^-20对于如图6-8所示的碱性电解质，氢氧燃料电池中的电化学反应过程如下。阳极：2+2Q _—*2 20+2e-阴极：+02+2 20+2e— ^-20-从以上可以看出，无论采用酸性还是碱性电解质，氢氧燃料电池的总化学反应方程式都可以表示为：Hz-l-jOz—^20即氢氧燃料电池的反应过程为水电解的逆过程。 原则上，只要不断提供外部反应物质源，燃料电池就能不断向外界输送电能，因此燃料电池是一种“发电技术”，更像是一台发电机。燃料电池的工作原理类似于传统的电化学原电池或充电电池，都是通过电化学反应将化学能转化为电能。

但是，两者之间的差异是，当电池内的化学物质耗尽时，封闭的电池是封闭的，而不是供应液体的燃料，而不是供应，它们的供应量是不同的。在这种意义上，可以保证能量输出的连续性。但是，燃料电池和常规发动机之间的区别是传统的发动机是机械设备。 它首先将反应物的化学能量转换为热能，然后将其转换为机械能量，在其工作过程中会大大变化，并且热能和机械磨损的损失很大，因此传统发动机的整体效率通常不高。

中间没有燃烧过程，因此，燃料电池通常在单个温度下工作，而普通发电机的效率要比机械和热损失的特征（1）与燃料电池相比，燃料电池的效率低得多效率是指输出能量与输入燃料的化学反应可以释放的能量的比率直接将燃料中的化学能量转换为电能。工作时，燃料电池的能量转化效率约为40％至60％。 如果使用的热量和燃料电池的能量转换效率可以超过80％，那么燃料电池是一种高效的能量转换装置，这是普通内部燃烧引擎的热效率的2至3倍。在部分功率输出条件下可以达到60％，转化效率可以达到70％；

功率的高效率范围非常宽，并且在低功率下，燃料电池的短期超负荷能够达到额定功率的短期超负荷，这非常适合燃料的特征。由于燃料和氧气是由电化学方法组合在一起的，并且燃料是源头和成本问题，燃料电池通常使用化石燃料在燃料中获得的富含氢气。细胞也很小，基本上接近零排放。 通过分别在两个电极上的燃料和氧化剂的反应，该电路是由电解质和外部电路组成的，只要燃料和催化剂可以从外部连续提供反应中的化学能量，燃料电池就可以连续地产生燃料电池，而不是普通的原始电池效率。另一方面，噪声很小，因为在整个工作过程中没有噪音和机械振动，因此机械组件的磨损也降低了，其使用寿命也延长了。

④燃料电池的良好负载响应速度非常快。燃料电池所使用的氢燃料在自然界中具有广泛的来源。加油站等。燃料电池不依赖于石油燃料。 燃料电池不仅可以用作航空航天，军事力量和汽车的能量，而且在热力，水力发电和核发电后的第四型发电技术中，燃料电池所需的燃料通常需要几分钟。纯电动汽车的驾驶范围。

⑦简单的结构和稳定的操作具有相对简单的结构，组件处理精度的低要求，高能量转换效率和可靠的操作，质子交换膜燃料电池可以在-80°C的低温下开始和运行，并且对结构的较高构建均不适合，并且在构建方面均不高。由于燃料电池在工作时不需要大的辅助设备，因此占据了一个较小的区域，适合在城市区域，居民区或风景秀丽的区域安装，或者是在现场电源上，电池组件的模块化使其易于稳定，并且较大的构建机构。 燃料电池被认为是将来取代传统内燃机的最理想的汽车动力，因为它们具有长寿，高效率，低污染，低噪声，良好的响应能力，快速的能量补充和持续的工作能力，它们还将在诸如国防部和燃料中的一家燃料中扮演的更多领域和新的燃料。燃料电池技术的发展将为人类带来“氢经济”或“氢社会”的新时代，但是，燃料电池目前存在诸如氢生产和存储的成本和安全性，这些问题需要通过进一步的探索和改进来解决。

影响燃料电池发展的几种约束如下。 安全性也很高。 导致泄漏，即使少量泄漏会造成极大的后果。 因此，当连接单个电池之间的电极连接时，必须严格密封。 否则，氢将降低氢的利用率并严重影响燃料电池发动机的效率。 电池发动机的制造过程很复杂，它为使用和维护带来了许多困难。 ④④汽车上使用使用燃料燃料减速时再生制动时的能量能量

6.3燃料电池的类型迄今为止，人们已经开发了多种燃料电池。在航空航天中足够高。

碳酸盐燃料电池较早地称为固体燃料电池特别适用于便携式电源和车辆电源，但目前的主要问题是固体聚合物电解质电池。 ，但要通过重组和其他方法来转换燃料，然后在混合气体后提供燃料电池。

③再生燃料电池：通过某些方式将燃料电池反应的水分解为氢氧化物（例如热量和光线等），然后将氢和氧气传播到燃料电池中，以便将其驱动燃料燃料电池，甲醇燃料燃料电池，源自甲醇燃料电池。 INE燃料电池。固体聚合物的燃料电池也称为聚合物电池，固体聚合物燃料电池或聚合物的固体聚合物燃料电池ode氢燃料是氧化的。 氧气是一种氧化剂，带有气流通道的石墨或表面改性金属板是双极板。

工作原理在图6-9中显示了阳极的阳极反应。 ode催化剂层。因此，总电池电化学反应为H2 +Y02 ^ -H20电极反应，水蒸气产生的大多数水与水蒸气一起移出燃料电池，并且在压力差的作用下，它的一小部分扩散到ANODE。

(2) The basic of fuel cells is shown in 6-10. The basic of fuel cells is of , layer, layer, and (also known as board). The of the is the , which is the layer. It is very . It is very from the used in power. It is not just a that of yin and anode gas, but also an 94 - -anode layer-anode board/ board plate three-in-one (A) PEMFC • The basic of the 2KW pack 200W pack 5KW pack (B) The of the fuel cell set. 6-10 The basic of the film fuel cell, the base of the (), which has the of and ; 在质子交换膜的高分子结构中有一个选择，它包含多种离子碱基。

质子燃料电池对质子交换的需求很高。影响性能的主要是：膜的厚度和单位区域的质量，膜的拉伸强度，膜的含量和膜的破坏（电阻率，面部电阻，电导率，电导率）。容量具有很大的影响，它也会影响氧气中氧气的溶解和扩散。

水分含量越高，质子扩散因子和渗透率越多，膜电阻会随着膜的强度而降低，但膜的体积（面积）也降低了。到目前为止，膜的成本仍然很高，因此有必要找到高性能和低成本的替代膜。

另一种选择是找到新的低含量或非氟化物，还可以使用无机酸和树脂的混合膜，这不仅可以增加膜的电导率，而且还可以增加电池的燃料电池的关键技术，也需要将电动机的关键焦点和燃料酸的速度提高。恢复效果比催化氧化更加困难，因为天主是最关键的电极。催化剂并防止电极催化剂中毒。

铂或铂合金作为催化剂的主要问题是，由于PT的价格很高，而且缺乏资源，质子交换膜燃料电池的成本很高，这限制了大量的应用，并且需要进一步降低一个非和非蛋白质的方法。催化剂是其有毒的问题。粗糙和多孔，具有足够的表面积，可促进氢和氧的电化学反应。

电极的质量对电池的性能有重要的影响。丝网印刷，涂层和催化层中的PTFE提供了气体扩散通道，而催化剂则提供了电子和水的传播通道。

质子交换在上面讨论的膜和催化剂还包括膜电极的结构PEMFC性能，能量密度分布和工作寿命。

因此，催化剂颗粒所需的电子必须通过导电物质与电型的固定材料进行通道。金属和碳的材料（具有表面修饰的金属）和复合材料（碳黑聚合物合成材料）。

目前，双极板在质子交换燃料电池中广泛使用，这是简单的，但是铸造双极板的电导率不如纯石墨板的降级一样可以用表面修饰的金属材料（例如钛，不锈钢和NI后果）进行，金属材料的表面修饰是一种非常有效的方法。膜燃料电池，某些流场板和双极板被拆分，例如网状流板等。

为了改善电池反应气体的利用率，排放量越多，流场的好或坏设计将直接影响电池供应和排水容量的排放。由于反应气体的传输和排水能力不佳，未应用点形流场，网格流场和多孔流场（3）质子交换膜燃料燃料电池效率质子燃料燃料电池效率的效率是指在燃料中所包含的能量中包含的能量之比。

PEMFC的效率约为60％。但是，由于电池内部电阻的存在，室温为83％。它的效率受罐头循环的限制。功能，方便的维护等。

较高的功率密度越来越多，燃料电池的燃料电池可以符合胶片的燃料电池。 PEMFC的最大优势是其最佳的工作温度，它可以在室温下工作。被CO和其他杂质污染。

d。以三种方式传播：电气扩散和压力迁移。

在质子交换中，水的传输过程将在膜的一侧导致水损失，并且通过阳极侧损失水的水分是较常见的。生成的水的高水位用于维持膜的高水位，使用极薄的电解质来增强从阴极到阳极浓度的水，因为水会阻止气体的传输通道到气体传输速率，排放产品的排放也是燃料群的质量，可以使燃料的质量变得更加稳定。水蒸气的燃料电池。

为了进行有效的水管理，国内和外国的研究机构进行了大量的研究和测试，并提出了各种有效的方法来实现水纸或碳布料的热量。燃料电池会影响质子交换的热稳定性，因此必须采取适当的冷却措施，例如空气冷却或水冷却。质子交换膜类型，厚度，预处理条件，导电质子的能力，机械强度，化学和热稳定性； 催化剂的含量和制备方法；

与燃料电池的工作条件相关的，影响PEMFC工作性能的因素有电流密度、工作电压、反应气体压力、工作温度、气体组成等。质子交换膜燃料电池因采用较薄的固体聚合物膜作电解质而具有非常好的放电性能，通过优化反应气体压力、工作温度和气体组成等条件，可以使质子交换膜燃料电池的性能维持在较高的水平。下面重点分析与燃料电池工作条件相关的影响因素。①电流密度、工作电压和功率特性图图6-13 lkW PEMFC电堆的电压、电流和功率特性6-13是〗kW PEMFC电堆的电压、电流和功率特— 2/空气的压力为0• 3MPa/0. 3MPa; 性。从图中可见，当电流增大，即电流密度增大0.1 MPa/0.1 MPa 时，工作电压随之下降.而功率增大。当电流增第6章燃料电池电动汽车至100A时，相当于电流密度为500mA/cm2,达到设计的最高功率1. 2kW，等同功率密度0.3W/cm2。而燃料电池的效率主要与工作电压有关，当燃料电池工作电压高时，能量效率高，由以上分析可知此时功率却低。因此，设计的燃料电池既想获得最高效率又想获得最大功率只是一种“理想”，只能通过对电堆进行最优化设计，达到在一定的电流密度下获得较高的工作电压，既得到较高功率又得到较高能量效率。

一般来说，燃料电池的设计是依据最终的应用要求来决定是获得高功率还是获得高效率。例如，燃料电池电动汽车用的PEM- FC，要求高功率密度和低成本，这只有在大电流密度下工作才能实现，而此时工作电压必然下降，能量效率就要低些；而对于地面固定发电站，要求高的能量效率和长寿命，这只有在高工作电压下才能实现，而此时电流密度必然降低，功率就要有所下降。②反应气体工作压力的影响质子交换膜燃料电池的工作性能与反应气体的体积分数有关，而体积分数又与气体压力有关。工作气体压力的提高能够增加质子交换膜燃料电池的电动势，还会降低质子交换膜燃料电池的电化学极化和浓度极化。不过反应气体压力的提高也会增加PEMFC系统的能耗a但总而言之气体压力越髙，燃料电池性能越好，尤其是阴极的反应物，即氧气或空气的压力对电池性能的影响更大。正如图6-13所示的那样，当2/ 空气的压力为〇• 3MPa/0. 3MPa时的性能就优于2/空气的压力为0. IMPa/O. IMPa的。同时为了减少氢气和氧气通过交换膜相互扩散，避免氢氧混合物引起危险，又应尽可能减少膜两侧的压力差。③工作温度特性工作温度对质子交换膜燃料电池性能有明显影响。

PEMFC的温度特性主要与质子交换膜有关。温度升高，质子交换膜传质和电化学反应速度随之提高，电解质的欧姆电阻下降，温度升高还有利于缓解催化剂中毒问题。但是温度过高，会造成质子交换膜脱水导致质子电导率降低，质子交换膜的稳定性也会降低，可能发生分解。并且，PEM FC的工作温度还是受限制的。为保证质子交换膜具有良好的质子传导性，保持其适当的湿润条件是必需的，所以反应生成的水应尽量为液态水。受此限制，在常压下PEMFC的工作温度不能高于80°C，在0.4〜0.5MPa压力下不能超过102°C、工作温度对燃料电池性能的影响如图6-14所示，电压-电流密度曲线线性区斜率绝对值随着温度的升高而降低，这说明电池内阻减小，此时在相同的电流密度下，工作电压升高，燃料电池的功率增大，效率也有所提高。这主要是因为在限定温度范围内，工作温度高，会加快反应气体向催化剂层扩散， 质子从阳极向阴极的运动也会加快，这些都积极地促进了电池性能的提高。 / A ta f t500 丨000 tOO 150 200 250 300电流密度/(mA/cm2)co体积分数V104图6-14 PEMFC的温度特性图6-15 CO含量对燃料电池性能的影响一一95*0，氧气： 50*C，氧气：—*95# C r 空气；50C r 空气102电动汽车技术④反应气体中杂质的影响反应气体中的杂质也是影响质子交换膜燃料电池性能的重要因素。

燃料气体中的杂质主要有co、co2、N2等。燃料的重整气中通常都会含有少量的CO, CO对质子交换膜燃料电池的阳极催化剂有严重毒化作用。图6-15表达了CO含量对燃料电池性能的影响。因此，为确保质子交换膜燃料电池的稳定运行，要通过各种净化方式降低燃料气中的CO含量。表6-1表达了燃料气体中其他杂质对燃料电池性能的影响。从表中可以看出当C02的含量高时对燃料电池性能影响很大。这主要是因为吸附在阳极催化剂Pt 上的2和C ()2相互作用引起CO中毒所致。表6-1其他杂质对燃料电池性能的影响（电流密度/cm2)燃料气体的成分纯屮75% 2+25%N2 98% 2+2%C02 75% 2+25^C〇2 单位工作电压/V0. 60. 580.510.31⑤纯〇2和空气对燃料电池性能的影响分别用纯〇2和空气作为氧化剂时，燃料电池的性能表现也是不一样的。图6-14还表达了用纯〇2和空气作为氧化剂时燃料电池的电压- 电流曲线。从图中可以看出，用空气作为氧化剂时，燃料电池的性能大幅下降，并在低电流密度时出现电压-电流线性区的偏离，这种偏离主要是因为“氮障碍层效应”和空气中氧分压较低造成的。

6.2.5碱性燃料电池(1)碱性燃料电池的结构及工作原理碱性燃料电池（ fuel cell, AFC)采用如KO、NaO 之类的强碱性溶液作电解质，传导电极之间的离子，由于电解液为碱性，与PEMFC不同的是在电介质内部传输的离子导体为氢氧离子0。碱性燃料电池（AFC)是最早进入实用阶段的燃料电池之一， 也是最早用于车辆的燃料电池。1959年驱动叉车的培根（Bacon)型中温、中压氢氧燃料电池就是AFG可以说，AFC是目前技术最成熟的燃料电池之一。以氢氧作燃料的AFC，氢气为燃料，纯氧或脱除微量二氧化碳的空气为氧化剂。氧化极的电催化剂采用对氧电化学还原具有良好催化活性的Pt/C、Ag、Ag-Au、Ni等，并将其制备成多孔气体扩散电极；氢电极的电催化剂采用具有良好催化氢电化学氧化的Pt-Pd/C、 Pt/C、Ni或硼化镍等，并将其制备成多孔气体电极。双极板材料采用无孔碳板、镍板或镀镍甚至镀银、镀金的各种金属（如铝、镁、铁）板，在板面上可加工各种形状的气体流动通道构成双极板。以氢氧作燃料的AFC ,其工作原理如图6-16所示，在阳极，氢气与电解液中的U- 在电催化剂的作用下，发生氧化反应生成水和电子，电子通过外电路达到阴极，在阴极电催化剂的作用下，参与氧的还原反应，生成的O通过饱浸碱液的多孔石棉迁移到氢电极。

其阳极和阴极发生的电化学反应如下。阳极：2+2C) —— 2 20+2e阴极：y02-f 20+2e —2()总反应：2+y〇2 - — 20上述反应不同于酸性燃料电池的另一点是水在氢电极处生成。为防止稀释电解质，阳极侧生成的水要及时排除。此外，在阴极处，氧的还原又需要水。水的管理问题通常按电极防第6章燃料电池电动汽车103h2+ :^〇；〇?氢电极氧电极饱浸KOH的石棉膜图6-16石棉膜型碱性氢氧燃料电池单电池的工作原理水性和在电解液中保持含水量的需求予以分解=阴极反应从电解液中消耗水，而阳极反应则排出其水生成物。过剩的水在燃料电池堆汽化。AFC可分为多孔基体型及自由电解液型两类。前者是将电解液吸在作为电极间隔离层的多孔性材料中。后者电解液存于空室内，外设循环系统，将反应生成的热及水散发掉。(2) 碱性燃料电池的优点AFC与其他类型燃料电池相比，具有以下优点„①碱性燃料电池町以在一个宽温度（80〜230eC)和压力[(2.2〜45) ]范围内运行。因其可以在较低的温度（大约80°C)下运行，故它的启动也很快，但其电力密度却比质子交换膜燃料电池的密度低十几倍。

②AFC具有较高的效率（50%〜55%、因由氢氧电解液所提供的快速动力学效应. 故碱性燃料电池可获得很高的效率。尤其是氧的反应（〇2 —-〇_)比酸性燃料电池中氧的还原反应容易得多，因此，活性损耗非常低。③性能可靠，可用非贵金属作催化剂，是燃料电池中生产成本最低的一种电池。碱性燃料电池中的快速动力学效应使银或镍可用以替代铕作为催化剂。其电池本体可以用价格低的耐碱塑料制作，且使用的是廉价的电解液，这样，碱性燃料电池堆的成本显著下降。④通过电解液完全的循环，电解液被用作冷却介质，易于热管理；更为均匀的电解液的集聚.解决了阴极周围电解液浓度分布问题；提供了利用电解液进行水管理的可能性：若电解液已被二氧化碳过度污染，则有替换电解液的可能性。当电解液循环时，燃料电池被称为“动态电解液的燃料电池”，这种循环使碱性燃料电池动力学特性得到了进一步的改善-(3) 碱性燃料电池的主要缺点①碱性燃料电池最大的问题在于二氧化碳的毒化。电池对燃料中C02敏感，碱性电解液对二氧化碳具有显著的化合力，电解液与（：02接触会生成碳酸根离子（C〇t)，这些离子并不参与燃料电池反应，且削弱了燃料电池的性能，影响输出功率；碳酸的沉积和阻塞电极也将是一种可能的风险，这一最终的问题可通过电解液的循环予以处理。

使用二氧化碳除气器是增加成本和复杂度的解决方法，它将从空气流中排除二氧化碳气体。② 循环电解液的利用，增加了泄漏的风险。氢氧化钾是高腐蚀性的，具有自然渗漏的J«4电动汽车技术能力，甚至于透过密封的可能性，具有一定的危险性，且容易造成环境污染。此外，循环泵和热交换器的结构，以及最后的气化器均更为复杂。另一问题在于，如果电解液被过于激烈地循环或单元电池没有完善地绝缘，则在两单元电池间将存在内部电解质短路的风险。③需要冷却装置维护其较低的工作温度。 6.2.6磷酸型燃料电池鱗酸型燃料电池（ acid _fuei cell，PAFC)是以磷酸为导电电解质的酸性燃料电池，依靠酸性电解液传导氢离子。PAFC被称为继火电、水电、核电之后的第四种发电方式，是目前使用最多的燃料电池之一，是最早成为商品的燃料电池技术。PAFC以天然气为燃料的llkW PAFC验证性电站已建成并投人运行。它的综合热效率可达到70%〜80%。 采用PAFC 50〜250kW的独立发电设备能够作为分散的发电站用于医院、旅馆等。许多医院、宾馆和军事基地使用磷酸燃料电池覆盖了部分或总体所需的电力和热供应。

多半因其温度问题，使这一技术在车辆中的应用很少。实践已经证明了PAFC电站运行的可靠性。PAFC的电池片由燃料极、电解质层、空气极构成。燃料极和空气极都是由基材及肋条板催化剂层所组成，是两块涂布有催化剂的多孔碳素板电极。电解质层是用来保持磷酸的，夹板它是经浓磷酸浸泡的碳化硅系电解质保持板。空气极燃料极磷酸（h3po4是一种黏滞液体，它在燃料电池中通过多孔硅碳化物基体内的毛细管作用予以储存。燃料中的氢原子在燃料极释放电子成电绝缘板集电流板为氢离子。氢离子通过电解质层，在空气极与发电单位电池片氧离子发生反应生成水，其电极反应与PEMFC冷却板、一样。将数枚单电池片进行叠加，为降低发电燃料极.空气极时内部的热量，每枚电池片中叠加进冷却板，输出功率稳定的基本电池堆就构成了。基本电池堆再加上用于上下固定的构件、供气用的集合管等构成PAFC的电池堆。电池堆的结构示主出线端意如图6-17所示。PAFC的工作原理如图6-18所示。PAFC图6-17 PAFC的电池堆结构示意图使用液体磷酸为电解质，通常位于碳化硅基质中。当以氢气为燃料，氧气为氧化剂时，在电池内发生电化学反应，其电化学反应与PEM- FC—样。

氢极板燃料氯气)EZZZ^氢电极丨隨喊碳化硅多孔_腥(饱浸磷酸水溶液）氧化剂(空气)\氧电极图618 PAFC的工作原理阳极和阴极发生的电化学反应为H2 —-2H+ +2e-第6章燃料电池电动汽车105-|-〇2+2 + -2e- ^- 20总的电化学反应为2+士02—-与其他类型燃料电池相比，具有以下特点。①PAFC与PEMFC及AFC不同的是不需要纯氢作燃料，具有构造简单、稳定、电解质挥发度低、应用了廉价的电解液，及其合理的启动时间等优点。目前，PAFC能成功地用于固定的应用，已有许多发电能力为0.2〜20MW的工作装置被安装在世界各地，为医院、 学校和小型电站提供动力。②PAFC的工作温度比PEMFC和AFC的略髙，位于150〜200T：。工作压力为0, 3〜 0. 8MPa，单电池的电压为0. 65〜0.75V。较高的工作温度使其对杂质的耐受性较强，当其反应物中含有1%〜2%的C◦和百万分之几的S时，PAFC可以正常工作。尽管PAFC的工作温度较高，但仍需电极上的白金催化剂来加速反应。③高运行温度（150T：以上）引起的另一问题是与燃料电池堆升温相伴随的能量损耗s 每当燃料电池启动时，必须消耗一些能量（即燃料）在加热燃料电池直至其运行温度上；反之，每当燃料电池关闭时，相应的一些热量（即能量）也将被耗损。

若应用于车辆上•，由于市区内驾驶情况通常是短时运行，该损耗是显著的。然而，在公共交通运输情况下，对于公共汽车这一问题是次要的^即PAFC可用作公共汽车的动力，而且有许多这样的系统正在运行，不过这种电池很难用在轿车上。④磷酸电解液的温度必须保持在42°C (磷酸冰点）以上。冻结的和再解冻的酸将难以使燃料电池堆激化。保持燃料电池堆在该温度之tl，需要额外的设备，这就需增加成本、复杂性、重量和体积^就固定式应用而言是次要的，但对车辆应用来说是不相容的。⑤PAFC的缺点是采用了昂贵的催化剂（铂）、酸性电解液的腐蚀性、二氧化碳的毒化和低效率。用贵金属白金作催化剂成本较高，如燃料气中C〇含量过高，则催化剂容易毒化而失去催化活性。PAFC的效率比其他燃料电池低，约为40%，其加热的时间也比质子交换膜燃料电池长。 6.2.7熔融碳酸盐燃料电池培融碳酸盐燃料电池（ fuel cell, MCFC)的工作温度为600〜700^, 典型温度为650°C，是一种高温燃料电池。可用净化煤气或天然气为燃料，以浸有碱金属(Li、K、Na、Cs)碳酸盐混合物的*隔膜。

MCFC依靠熔融碳酸盐（通常为裡-钾碳酸盐或锂-钠碳酸盐）传导离子，被传导的离子是碳酸离子（CO 〖_)。离子传导机理与磷酸燃料电池或高浓度的碱性燃料电池中熔盐的相应机理类似。熔融碳酸盐燃料电池（MCFC)是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。阴极由氧化镍（添加少量锂以增加电子导电能力）制成；阳极由氧化镍还原，烧结成多孔镍电极。因为镍在650T：左右具有良好的电催化性，所以不需用贵金属作电催化剂^单体的MCFC —般是平板型的，如图6-19所示，主要由电极-电解质、燃料流通道、氧化剂流通道和上下隔板构成。单体的上下为隔板/电流采集板，中间部分是电解质板，其电解质是熔融态碳酸盐，电解质板的两侧为多孔的阳极板和阴极板。燃料电池工作过程实质上是燃料的氧化和氧化剂的还原过程。MCFC的工作原理如图1»6电动汽车技术6-20所示，其熔融碳酸盐作为惰性载体，燃料和氧化剂气体分别流经阳极和阴极通道。在阴极，氧化\mk剂中的〇2和co2与电子进行氧化反应生成c〇r，阴极电解质板中的CO〗—直接从阴极移动到阳极；在阳燃料流隔板PT 极，C〇t与燃料气体中的2发生反应，生成了C〇2、H2 O和电子。

生成的电子被集流板收集起^氧化剂流来，而后到达隔板。隔板位于燃料电池单元的上部和下部，并和负载设备相连，从而构成了包括电子图6-19 单体MCFC结构示意图传输和离子移动在内的完整的回路。其阳极和阴极发生的电化学反应如下。阳极：2 +C〇r ^- 2 ()+C02+2e^阴极:|〇2 +C02 +2e- —-C〇ru总反应:2H2 + O2*-2 H2 〇负载燃料:h2阳极层电解质层阴极层氧化剂:0,+€〇!2〇+C〇2阳极碳酸盐电解质阴极⑷(b)图6-20 MCFC的工作原理其主要差异在于阴极处必须供给co2。因二氧化碳可从阳极中回收，故不需要外部的a)2供应源。因为cc〕2循环参加反应，使体系的co2分压得以保持恒定，因而电极的极化很小。MCFC与其他类型燃料电池相比，具有以下特点。① MCFC具有效率高（高于40%)、噪声低、无污染、燃料多样化（氢气、煤气、天然气和生物燃料等）、余热利用价值高和电池构造材料价廉等诸多优点。其主要优点是加注碳氢化合物燃料、低价格的催化剂，以及因快速动力学效应所具有的完善的效率、毒化的低敏感性。②MCFC是一种高温燃料电池（600〜700°C)，其主要优点是其具有直接处理碳氢化合物燃料的能力，这是由于在电极处高运行温度能分解碳氢化合物制氢。

事实上，熔融碳酸盐燃料电池从来不用纯氢，而是使用碳氢化合物。这理应是应用于汽车的极大优点，因为当今碳氢化合物燃料获得了有效应用。此外，高运行温度增强了快速动力学效应，可采用廉价催化剂。③MCFC的电解液碳酸盐是碱性物质，特别在高温下腐蚀性极强。这既不安全，也对电极产生了腐蚀问题^第6章燃料电池电动汽车107④ 在汽车上安装一个温度为600〜700°C的大设备，存在着安全问题。与燃料电池升温相伴随的燃料消耗也是一个问题，它因很高的运行温度，以及为熔融电解液所必需的潜热而变得更为严重这些问题可能制约熔融碳酸盐燃料电池应用于固定式的或恒定功率需求的场合。⑤MCFC的主要缺点是启动缓慢、因高温减少了材料的可选性、起因于（：02循环的燃料电池系统的复杂性、电极的腐蚀和缓慢的功率响应。 6.2.8固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell, SOFC)是在1000〜1200C高温区工作的固体电解质电池.是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。SOFC属于第三代燃料电池，被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。

与熔融碳酸盐燃料电池相似， 固体氧化物燃料电池的工作温度较高，而燃料本身能量转换效率也较高•并也需设法较好地利用其余热来提高其综合效率，主要适合用于电厂发电。早期开发出来的SOFC的工作温度较高，一般在1000X：左右。目前科学家已经研发成功中温固体氧化物燃料电池，其工作温度一般在800°C左右。一些国家的科学家也正在努力开发低温SOFC，其工作温度更可以降低至650〜700T：。工作温度的进一步降低， .使得SOFC的实际应用成为可能。SOFC的能量密度高、燃料范围广和结构简单等优点是其他燃料电池无法比拟的。随着SOFC的生产成本和工作温度进一步降低，能量密度的增加和启动时间进一步缩短，可以预见，SOFC在今后的燃料电池电动汽车发展中有比较广阔的发展前景。(1) SOFC的结构及工作原理SOFC单体如图6-21所示，主要由电解质、阳极（燃料极）、阴极（空气极）和连接体(双极板）组成。SOFC的燃料是碳氢化合物或一氧化碳。管形固态氧化物燃料电池连接体S 3阳极电解质阴极•燃料电极图6-21 SOFC单体结构组成示意图图6-22管状SOFC结构示意图固体电解质是SOFC最核心的部件，目前常用的电解质材料是镍粉弥散在YSZ的金属陶瓷，主要用于传导氧离子（〇2 )。

固体电解质的主要性能包括电导率、稳定性、热膨胀系数、致密化温度等。其性能不但直接影响电池的工作温度及转换效率，还决定了与之相E 配的电极材料及其制备技术的选择。SOFC是在陶瓷隔膜中高温下传导的离子，通常，陶瓷材料为钇稳定化的二氧化锆（YSZ).它是通过将固体金属氧化物的混合物烧结成陶瓷体而成的。陶瓷体具有良好的离子导电性.具有阻值近似为零的电子导电性，以及良好的气体渗1U8电动汽车技术透性，其离子电导率在氧分压变化十几个数量级时，都不发生明显变化。它传导氧离子(O2—)，而其他陶瓷材料传导氢离子。其导电机理类似于在半导体中观察到的机理，经常称为固态器件。电极材料本身首先是一种催化剂。阴极（空气极）起传递电子和扩散氧作用，是多孔洞的电子导电性薄膜。由于阴极需要长期在高温和氧化中工作，只有贵金属或电子导电的氧化物适用于阴极材料，而铂、钯等贵金属价格昂贵，通常只在实验范围内使用。实际常应用掺锶的锰酸镧作为SOFC的阴极材料^目前，Ni/YSZ陶瓷合金造价最低，是实际应用中首选的阳极（燃料极）材料。连接体（双极板）的功能是在单电池间起连接作用，并将阳极侧的燃料气体与阴极侧的氧化气体（氧气或空气）隔离开来。

连接体材料通常采用钙钛矿结构的铬酸镧。单体电池只能产生IV左右电压，功率有限，为了提高SOFC的功率，使其具有实际应用性，可以将若干个单电池以串联、并联或混联等各种方式组装成电池组。目前SOFC电池组的结构主要有平面型、管状和整体型3种，其中平面型SOFC与其他燃料电池技术类似，为两极组合，因功率密度高和制作成本低而成为SOFC的发展趋势。 管状SOFC如图6-22所示。管状SOFC较易于密封，并减少了对陶瓷材料的限制，其缺点是较低的效率和功率密度。SOFC工作时，如图6-23所示，电子由阳极经外电路流向阴极，氧离子经电解质由阴极流向阳极。在阳极发生燃料（如氢或富氢气体）的电氧化反应，即燃料（如氢与经电解质传递过来的氧离子进行氧化反应生成水，同时向外电路释放电子，电子通过外电路到达阴极形成直流电。在阴极发生氧化剂（氧或空气）的电还原反应，即氧分子得到电子被还原为氧离子。〇2—在电解质隔膜两侧电位差与浓差驱动力的作用下，通过电解质隔膜中的氧空位，定向跃迁到阳极侧。h2. h2o剩余燃料气(入炉)燃料气(h2)阳极2—- 21^+26接触面外电路2C 2e阴极02+4e^20*氧化气(空气或〇2)阴极排放气总反应图6-23 SOFC的工作原理分别用2、CO、（：1*14作燃料时，阳极电化学反应为Hz+O2-—- 20+2e-C0+02 —KX)2 十2e-C 4 +402——^2 20+C02+8e-第6章燃料电池电动汽车丨U9阴极的电化学反应为〇2+4e-——^202-分别用2、CO、C4作燃料时，电池的总反应为2 2+02 —-2 202CO+〇2 ^2C02C 4+2O2 ^^2 20+C〇2(2) S〇FC的优点SOFC具有发电效率高，能量密度大，能量转换效率高，低排放、低噪声的特点。

与其他类型燃料电池相比，具有以下优点。①SOFC最大的优点是其静态的电解质。由于SOFC是全固态的电池结构，不存在电解质渗漏问题，避免了使用液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题，无需配置电解质管理系统，运行寿命长。②非常高的运行温度使其像熔融碳酸盐燃料电池那样，对燃料的适应性强，可直接用天然气、煤气和其他碳氢化合物作为燃料。③ 因其处理一氧化碳如同处理氢那样有效，因此不会被C0毒化，存在C0时，阳极反应为CO+O2-—C〇2+2e-④工作温度高，加快了电池的反应进程，不需要使用贵金属作电催化剂，还可以实现多种碳氢燃料气体的内部还原，简化了设备，可使用高温进行内部燃料重整，使系统优化。⑤ 废热的再利用价值高。(3) SOFC的主要缺点①与熔融碳酸盐燃料电池相似，因其运行温度高而引起的安全问题和自由能损失，燃料经济性下降。②氧化物电解质材料为陶瓷材料，质脆易裂，电池堆组装较困难。当在车辆中应用时， 由于频繁振动，质脆易裂就成为主要的缺点。热循环进一步使陶瓷处于受力状态，对平面型固体态氧化物燃料电池尤为严重。③ 高温热应力作用会引起电池龟裂，所以主要部件的热膨胀率应严格匹配。

④ 工作温度高，预热时间较长，不适用于需经常启动的非固定场所。 6.2.9直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池（ fuel cell，DMFC),属于质子交换膜燃料电池中的一类，替代氢的应用，甲醇可直接地用作燃料电池的燃料，是直接使用水溶液以及蒸气甲醇为燃料供给来源，而不需通过重整器重整甲醇、汽油及天然气等再取出氢以供发电。之所以应用直接甲醇燃料电池，对于车辆来说，首先，甲醇是一种液态燃料，在车辆上应用易于存储、分配和销售。当前燃料供应的基本设施无须过多地再投资，即可应用；其次，甲醇是最单一的有机燃料，它能最为经济和有效地从相对丰富的矿物燃料（如煤和天然气）中大规模地生产；另外甲醇还可从农产品（如甘蔗）中制造。DMFC技术仍处于其发展的早期，与前述的燃料电池相比，直接甲醇燃料电池是相对的未成熟的技术