燃料电池技术在汽车上的应用.doc

燃料电池技术在汽车上的应用 燃料电池是一种将储存在燃料（氢）和氧化剂（氧）中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的装置，其过程不涉及燃烧，无机械损耗，能量转化率可高达80％，产物仅为电、热和水蒸气；而且燃料电池运行平稳，无振动和噪音，所以被认为是21世纪的绿色能源。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。 　　燃料电池技术在汽车上的应用给汽车产业发展带来了革命性的突破，同时也推动了自身的发展。燃料电池可以用作汽车的（辅助）动力电源，也可以用作辅助电源。事实上，人们考虑更多的是燃料电动汽车（FCEV），它不同于传统汽车，其动力来自燃料电池，而不是内燃机，可以减少燃料消耗，产生更少的污染物排放，当以氢作燃料时，能真正实现汽车的“零排放”，因此更符合人们的经济环保观念。此外，在能量耗尽后，燃料电动汽车不像传统的蓄电池电动汽车（BEV）那样需要长时间充电，而只需补充燃料即可继续工作，这一点对汽车驾驶者来说尤为方便。 　　目前开发的燃料电池动力车主要用两种类型：纯燃料电池动力车和燃料电池一蓄电池混合动力车。纯燃料电池动力车采用大功率的燃料电池堆栈，以确保在没有后备蓄电池的情况下能提供启动、瞬时加速的动力；而燃料电池--蓄电池混合动力车以蓄电池为主动力，小功率的燃料电池用作续程器。 　1.汽车用燃料电池研究最多、最成功的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。PEMFC作为第五代燃料电池，由于具有能量转化率高、低温启动、无电解质泄漏等特点，被公认为最有希望成为电动汽车的理想动力源。但是由于PEMFC需采用贵金属Pt作为电极催化剂，不仅提高了成本；而且限制了燃料只能采用纯氢，因为燃料中的微量CO也可导致Pt中毒。对于甲醇、汽油等燃料，必须经过重整纯化，从而增加了系统的复杂性。近年来，PEMFC技术取得了重大突破，燃料已经实现内重整，使得系统体积大为减少，有望进一步“减负”；更重要的是催化剂中pt载量大为降低，成本问题有望得到解决，相信PEMFC汽车在不久的将来能够实现商业化。 　2.在PEMFC的基础上，以甲醇代替纯氢直接作为燃料，可以大为简化系统，这种PEMFC称为直接甲醇燃料电池（DMFC）。DMFC具有体积小、重量轻、燃料来源丰富、价格便宜、储存携带方便等优点，是理想的汽车动力源。对于DMFC而言，甲醇的阳极氧化迟缓及甲醇通过Nafion膜（全氟磺酸膜）的渗透所引起的阳极性能衰减是限制DMFC发展的主要问题。目前许多研究人员正在开发新的替代Nafion膜的聚合物膜，也取得了很大的进展。提高甲醇氧化的催化剂活性，减少贵金属用量也是DMFC技术实用化的关键。直接甲醇燃料电池——简称DMFC（DirectMethanolFuelCell）。它是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储。 其电化学转化过程又可分为两种方式，一种是直接燃料电池，另一种是间接燃料电池。直接燃料电池主要是甲醇在阳极被电解为氢和二氧化碳，氢通过质子膜到阴极与氧气反应并同时产生电流。间接燃料电池是先将甲醇进行炼解或重整得到氢，然后再由氢和氧通过质子膜电解槽反应而获得供给汽车动力的电能。专家们认为这项技术距离实用化至少还需7年时间。尽管如此，许多人仍把它作为燃料电池汽车的首选技术进行开发和研究。日本则武公司的产品在改进后，达到了160mW/cm2的高功率密度，性能约为原来的1.5倍。据分析，之所以能达到如此高的性能，主要原因在于使用了有机物和无机物的混合技术来制作电解质材料，从而大大减少了甲醇透过电解质膜的“甲醇渗透”现象，并提高了电解质膜的形状稳定性。则武公司从事燃料直接使用液态甲醇的DMFC电解质膜的开发，由于DMFC具有无需燃料改质器、可在低温下工作等优点. 　3.固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种全陶瓷结构燃料电池，和一般燃料电池一样，固体氧化物燃料电池也是由阳极、阴极及两极之间的电解质组成, 但工作温度相对较高，一般在800~1000℃。在阳极一侧持续通入燃料气，例如H2、CH4、煤气等，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体例如氢，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2- ，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外路回到阴极。其能量转化效率最高，操作方便，无腐蚀，与PEMFC相比，燃料适用面广，不须用贵金属催化剂，而且不存在DMFC的液体燃料渗透问题。但是固体氧化物燃料电池