我国燃料电池技术在汽车上的应用及展望

1、 我国燃料电池技术在汽车上的应用及展望 作者：* 目录目 录1摘要、关键词3引 言4第一章 燃料电池概述5 1.1 燃料电池5 1.2 我国燃料电池的发展现状8第二章 燃料电池技术在汽车上的应用11 2.1 燃料电池汽车的结构与工作原理11 2.2 fcev整车集成的关键12 2.3 燃料电池技术在汽车上的应用15 2.4 燃料电池汽车商业化中存在的问题17 2.5 我国燃料电池汽车的发展现状19 2.6. 我国氢气车20第三章 我国燃料电池汽车发展展望22 3.1 燃料电池汽车的革命性影响22 3.2 燃料电池汽车需要解决的问题22 3.3 我国燃料电池汽车产业化23总结24参考资料25谢辞

2、26我国燃料电池技术在汽车上的应用及展望焦 瑛汽车运用工程专业（独立本科段）摘要：燃料电池汽车的迅猛发展和商业化的推进席卷了整个世界。其高效节能，零排放或接近零排放的良好环境性能，使之成为当今世界能源和交通领域开发的热点，将引发汽车工业的革命。本文通过查阅书籍资料、运用网络综合自己所拥有的燃料电池车方面的知识对燃料电池技术在汽车上的应用和发展趋势进行探讨。最终得出燃料电池技术将取代传统能源，成为新的供能方式。传统的内燃机汽车将逐步被环保的燃料电池所取代，燃料电池技术在汽车上的应用是势在必行的，并最终到发展。关键词：燃料电池 燃料电池汽车 应用 发展趋势abstract: the rapid d

3、evelopment of fuel cell vehicles and commercialization of advance swept the entire world. its efficient energy-saving, zero-emission or near-zero emissions of good environmental performance, making it the world of energy and transport sector development of hot spots, will lead the automotive industr

4、y revolution. in this paper, access to books, information, use of network-owned integrated their knowledge of fuel cell vehicle fuel cell technology in automotive applications and development trends were discussed. fuel cell technology will eventually come to replace traditional energy supply will b

5、ecome a new way. conventional internal combustion engine vehicles will gradually be replaced by environmentally friendly fuel cell, fuel cell technology in automotive applications is imperative, and ultimately to development.key words: fuel cell fuel cell vehicles apply trends引言早在19世纪法国科幻小说鼻祖凡尔纳在他的小

6、说中就预言，有朝一日以石油为基础的传统能源会被氢彻底改造。这种重量很轻的气体是宇宙中最丰富的元素，它能够从水中制成；它出奇地洁净；燃烧时排放出基本上是水蒸汽。当被输人到能产生电力的燃料电池中时，它提供空前的效率这些电化学反应堆从燃料中所摄取的有用能量高达内燃机的两倍。人类步人21世纪，开始面临着巨大的能源压力和严重的环境问题。传统的能源（主要是不可再生的化石燃料）正日趋枯竭，过度依赖石油进口引起地缘政治不稳定而且化石燃料燃烧后排放的废气造成严重的空气污染，甚至加速气候变化。因此，要实现经济、社会的可持续发展，寻找新的替代能源迫在眉睫。氢能作为最洁净、高效的能源，已经引起全世界的广泛关注。燃料电

7、池汽车以其高效节能，以及零排放或接近零排放的良好环境性能，成为当今世界能源和交通领域开发的热点。汽车工业代表着一个国家制造业发展的水平。世界经济大国的经济发展无一不与汽车工业有着极为密切的关系。抛开遥远的欧美不谈，我们只需要将眼光放在亚洲邻国，日本和韩国都是主要在汽车和电子这两大工业取得飞速发展后，带动了整个国民经济的腾飞。燃料电池车是真正的绿色车辆，是可使我们摆脱环保与能源这两个桎梏的上佳选择。新的车辆动力系统的使用必然要对原有的车辆的各个系统进行改进。我国要发挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展要求，要站在同行的同一起跑线上，开发21世纪的燃料电池车，这将是中国汽车发展的希望所在。第一章

8、 燃料电池概述环境污染、资源紧缺是传统内燃机车辆的突出问题；蓄电能力有限，续航距离短是普通蓄电池电动车辆难以从根本上解决的问题。面对现有交通工具存在的种种问题，急需一种全新的能源利用方式来打破这一瓶颈。燃料电池是目前最有前途解决这些问题的技术之一。1.1 燃料电池1.1.1 燃料电池的基本原理燃料电池是将储存在燃料（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。主要由一个聚合物的膜和若干隔板构成。导电的隔板可通过电流，其上有通道允许空气、氢气和冷却液通过，聚合物膜夹在隔板之间，由极薄的电解膜构成，两侧都覆盖有铂层催化剂，铂层催化剂构成电池的电极。燃料电池的阳极是聚合物膜有氢的

9、一侧，在阳极上氢气被分解成带正电的质子和带负电的电子。质子通过很薄的电解液腊，电子就在隔板中集中起来。在作为阴极的空气电极中，质子与空气和电子在通道中结合起来，通过反应生成水。 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，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。 图1-1 燃料电池工作原理总反应：2h2+o22h2o+电流负极（阳极）：2h24h+4e正极（阴极）：o2+4h+

10、4e2h2o1.1.2 燃料电池的特点总的来说，燃料电池具有以下特点：1、能量转化效率高直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。目前燃料电池系统的燃料电能转换效率在45%60%，而火力发电和核电的效率大约在30%40%。2、有害气体sox、nox及噪音排放都很低,co2排放因能量转换效率高而大幅度降低，无机械振动。3、燃料适用范围广，没有往复回转运动的机械部件，噪音小。 4、规模及安装灵活，只需增加单格电池就可得到任何所需的电压，且所需空间小。5、负荷响应快，燃料电池在数秒内可以从最低功率变换到额定功率。6、效率随输出变化的特性好。部分功率下运行效率可达60%

11、，短时过载能力可达到200%的额定功率。7、运行噪音低，可靠性高。无机械运动部件，工作时仅有气体和水的流动。8、构造简单，便于维护保养。模块化结构，组装和维护方便；没有运动部件，磨损之类故障少。9、燃料（氢气）来源广泛。制备方法多样，可通过石油、甲醇等重整制氢，也可通过点解水、生物制氢等方法获取氢气。10、燃料补充方便。可以采用甲醇等液体作为燃料，利用现有的加油站系统采用与汽车加油大体相同的燃料补充方式短时间内完成燃料的补充。11、无污染，可实现零排放。工作过程的唯一产物是水。1.1.3 燃料电池技术分类1. 按燃料电池的运行机理分。 分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。 2. 按电解质的种类不同

12、，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质。 因此，燃料电池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)、固体氧化物燃料电池（sofc）、质子交换膜燃料电池（pemfc）等。在燃料电池中，质子交换膜燃料电池（pemfc）、磷酸燃料电池(pafc)可以冷起动和快起动，可以用作为移动电源，适应fcev使用的要求，更加具有竞争力。 3. 按燃料类型分。 有氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等有机燃料，汽油、柴油和天然气等气体燃料，有机燃料和气体燃料必须经过重整器“重整”为氢气后，才能成为燃料电池的燃料。 4. 按燃料电池工作温度分。 有低温型，温度低于200

13、；中温型，温度为200750；高温型，温度高于750。 目前，燃料电池按电解质划分已有6个种类得到了发展，即碱性燃料电池（alkaline fuel cell,afc）、磷酸盐型燃料电池（phosphoric acid fuel cell,pafc）、熔融碳酸盐型燃料电池（molten carbonate fuel cell,mcfc）、固体氧化物型燃料电池（solid oxide fuel cell,sofc）、固体聚合物燃料电池（solid polymer fuel cell,spfc,又称为质子交换膜燃料电池，proton exchange membrane fuel cell,pemf

14、c）、及生物燃料电池（befc）。按工作温度它们又分为高、中、低温型燃料电池。工作温度从室温到373k(100)的为常温燃料电池，如spfc；工作温度在373k(100)573k(300)之间的为中温燃料电池，如pafc；工作温度在873k(600)以上的为高温燃料电池，如mcfc和sofc。电 池 与 代 号氢氧碱电池afc氢氧磷酸电池pafc质子交换膜氢氧电池pemfc熔融碳酸盐电池mcfc固体电解质电池sofc工作温度6012018021080100600700900100燃 料高纯h2h2h2h2coch4h2coch4氧 化 剂高纯o2空气空气空气+co2空气电 解 质kohh3po

15、4质子交换膜k2co3li2co3zro2阳极催化剂ptptptnini、zro2阴极催化剂ptptptniola-sr-mno21.1.4 燃料电池的燃料燃料电池技术的一个最基本问题是，应直接采用车载储氢还是由其他的燃料车载制氢。以下是汽车生产商主要使用的几种燃料。 1、氢燃料一种方法是在车上直接储存氢燃料，在燃料电池中直接使用氢燃料的车辆具有效率最高、尾气零排放的特点。但是由于氢的能量密度和沸点较低，因此车载储氢需要大而重的气瓶，正在研制的三种氢气储存方法分别是：压缩氢气储存、液态储氢和金属氢化物或者碳化物储氢。压缩氢气储存是车载储氢中最经济的方法，但是在24mpa的工作压力下，尺寸合理、

16、成本经济的高压气瓶对燃料电池车辆而言，只能提供很有限的行驶公里数（大约190km）。液态氢储存于大的含有氢化物材料的气罐，和压缩氢气储存一样，对相同的行驶里程，液态氢不需要更高的储存容积。但是由于氢的沸点较低，因此需要气瓶有非常好的绝热特性。在加气和储存过程中一直都保持-253的超低温度是很困难的。此外车载储氢每天的损失量大约是1%。车载储氢同样面临一些安全问题，随着气瓶温度升高，压力逐渐增加，可能会打开泻压阀。这可能会使易燃性的氢气散发到大气中，成为危险源和污染源。 2、甲醇很多汽车生产商使用甲醇作为燃料电池的燃料。人们普遍认为，在今后若干年氢气输送网络的基础设施将在建设过程中，使用甲醇燃料

17、电池可以起到过渡的作用。使用甲醇制氢作为燃料优点是他在车辆上的储存和汽油类似，在车上利用重整器进行车载醇类制氢。为了生成氢气，先将甲醇和水相混合，当它蒸发时，分解为二氧化碳和氢气。在将氢气和二氧化碳送入燃料电池以前，采用另外的装置对其进行净化提纯。甲醇法制氢包含更多的氢原子，比液态氢的能量密度更大。与氢燃料相同，甲醇法氢燃料不依赖于石油、煤炭、天然气等燃料。与氢燃料相比，由甲醇燃料驱动车辆的尾气排放不是完全的零排放水平。但是和使用内燃机的车辆相比，甲醇燃料车辆产生很少的污染物和很少的二氧化碳。 3、汽油燃料电池可以使用一种特殊的、比较纯净的汽油。由于汽油站的基础设施很完善，用车载重整器从汽油中

18、分离出氢是一种使燃料电池车辆商品化的方法。但是在车辆系统中，从汽油中分离氢要比从甲醇或者乙醇中分离氢困难得多。重整反应发生在8501000的温度下，结果会造成仪器起动很缓慢，反应可控性差，导致车辆的效率降低，并产生较多的排放污染，此外也限制了车辆的冷启动能力。重整器的大小同样是一个问题，很难将它方便的放在一个标准尺寸大小的汽车发动机罩内。另外，现在汽油中硫含量和重整器中一氧化碳的含量问题也是人们所关心的，它们会损害燃料电池。1.2 我国燃料电池的发展现状我国早在20世纪50年代就开展燃料电池方面的研究，在燃料电池关键材料、关键技术的创新方面取得了许多突破。政府十分注重燃料电池的研究开发。燃料电

19、池技术特别是质子交换膜燃料电池技术也得到了迅速发展，使中国的燃料电池技术跨入世界先进国家行列。90年代中期以来，国家自然科学基金委员会积极支持燃料电池的基础研究。国家科技部和中国科学院共同投入了较多的资金，加强燃料电池系统的研制与工程开发，从而使我国的燃料电池研究出现了新的势头。在“九五”期间，我国燃料电池的技术发展接近国际水平。中国科学院“九五”特别项目研制的pemfc模块输出功率与国际同步，电池性能达到或超过国际水平，并在石油、气象、铁路及通讯等部门，获得实际应用。由中国科学院电工研究所负责的“pemfc电源系统研制”课题，主要从事pemfc电源系统关键技术研究和系统工程开发。建有可进行千

20、瓦级pemfc电源寿命试验的“燃料电池系统实验室”。已完成 pemfc移动电源专用微型h2/o2减压阀、多种小型金属储氢器及系列功率变换器等系统部件的开发。 高等院校是我国从事燃料电池基础研究的一支重要力量。天津大学承担多项有关pemfc的国家自然科学基金项目，进行了广泛的基础研究，并在膜电极制备、水热管理等多方面取得了进展。清华大学核能研究院拥有研制pemfc的成套设备。已研制成功输出功率10-30w pemfc电堆，200w一体化pemfc电堆。上海交通大学从日本引进了mcfc试验设备，并组装了供基础研究用的mcfc，同时还与日本合作进行mcfc发电系统建模、仿真研究。此外，石油大学、吉林

21、大学、北京科技大学、北京理工大学、武汉大学，以及电子部天津电源所等也分别在pemfc、mcfc、sofc方面开展了研究。我国民营高科技企业也积极参与了pemfc的开发。北京富原新技术开发总公司现已开发出50w、750w、1500w和5kw系列样机。上海神力科技有限公司与中科院上海有机化学研究所合作，开发出用于pemfc质子交换膜，经中科院大连化物所测试其电化学性能优于美国杜邦公司的同类产品。燃料电池及氢源技术国家工程研究中心作为振兴东北老工业基地之“创新能力建设项目”于2004年2月获得国家发展和改革委员会批准立项。2005年，项目方案通过专家评审及风险评估。2006年10月，项目获国家发改委

22、正式授牌。燃料电池及氢源技术国家工程研究中心以中科院大连化物所和新源动力公司在燃料电池及氢能利用技术方面四十多年的科研开发成果和六年多的产业化积累，根据国家和产业战略发展的需要和市场需求，针对燃料电池产业发展的寿命、成本、性能等核心问题，集中在汽车、小型电站、移动电源等应用目标领域，致力于实现核心产业技术突破，增强我国在燃料电池产业的核心竞争能力。燃料电池及氢源技术国家工程研究中心的建成将加强创新能力平台建设，完善我国燃料电池技术及氢源技术的创新体系建设，成为我国燃料电池技术创新的源发地、技术转化中心、人才培养中心及国际燃料电池技术交流中心，从而加快我国燃料电池技术产业化进程，促进燃料电池及相

23、关产业的跨越式发展，为缓解我国能源压力和环境保护压力，实现我国十一五规划目标，“建设资源节约型、环境友好型社会”做出积极贡献。 我国燃料电池领域经过几十年的积累与发展，已初步形成了一支学科专业较为齐全的研究与开发队伍，研究条件明显改善。在pemfc方面，总体水平与先进国家的差距正在缩小，单项技术有了自己的知识产权，已具备电池关键材料制备、部件试制，组装千瓦级电池组和进行应用系统开发的能力。在mcfc、sofc等方面，总体水平与先进国家仍有较大差距。目前，已建立了mcfc、sofc电池的材料制备、元件试制、电池组装和系统测试等实验室及试验基地十余个，为我国高温燃料电池的研究奠定了初步基础。为进一

24、步推动高效、清洁发电技术的研究与开发，“燃料电池发电技术”已被列入科技发展“十五”计划和2015年远景规划（能源领域）。尽管现在燃料电池的市场需求相当小，预计在随后的十年间，随着技术进步与规模经济效益，燃料电池的生产成本与使用成本将下降，竞争力提高，燃料电池潜在的市场将会逐步发展起来。第2章 燃料电池技术在汽车上的应用近年来燃料电池技术的迅速发展也为燃料电池运用于汽车创造了条件。由于技术的进步，燃料电池的功率密度不断提高，电池组的输出功率不断增大，而电池的体积和成本却明显降低，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影响。燃料电池可以用作汽车的动力电源，也可以用作辅助电源。事实上

25、，人们考虑更多的是燃料电池汽车（fcev），它不同于传统汽车，其动力来自燃料电池，而不是内燃机，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。2.1 燃料电池汽车的结构与工作原理2.1.1 燃料电池汽车的基本结构燃料电池汽车（fcev）的外形和内部空间等于普通汽车几乎没有差别，两者不同之处主要在于动力系统。fcev动力系统的基本结构如图所示。燃料电池组发出的电力经dc/ac逆变器后进入电动机，驱动汽车

26、行驶或经dc/dc转换器向蓄电池充电，当汽车行驶需要的动力超过燃料电池的发电能力时，蓄电池也参加工作，其电流经dc/dc转换器进入电动机，驱动汽车行驶。 图2-1 燃料电池汽车动力系统基本结构2.1.2 燃料电池汽车的工作原理由燃料箱不断地供给燃料，燃料电池把燃料氧化的化学能转换为电能，产生的直流电经过控制器变为交流电后供入驱动电机，经传动系统驱动车轮。在电动汽车开始行驶时，蓄电池组处于电量饱满状态，其能量输出可以满足汽车起动要求，由其为驱动系统提供能量，并对电池进行预热，燃料电池动力系统不需要工作。当氢气供给足够时，燃料电池动力系统起动，由燃料电池动力系统为驱动系统提供能量。当车辆能量需求较

27、大时，燃料电池动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量；当车辆能量需求较小时，燃料电池动力系统为驱动系统提供能量的同时，还给蓄电池组进行充电。燃料电池若采用甲醇或汽油等作为燃料时，需要通过重整器进行重整，一般需要10min以上才能产生足够的氢气，比内燃机的启动时间长得多。因此，在汽车刚起动时，由蓄电池组来提供电能，同时预热燃料电池。2.1.3 燃料电池汽车的分类按氢气供给方式，燃料电池汽车分为改质型和非改质型两种。（1） 改质型。其车载液体燃料（甲醇或汽油等），需利用车载改质装置制造氢气，再供给燃料电池。优点是可使用多种燃料，缺点是结构复杂，体积庞大。（2） 非改质型。由车载氢气直接供应燃料电

28、池。车辆构造简单，体积小，质量轻。主要问题是续驶里程短，氢燃料的补给设施费用高。2.2 fcev整车集成的关键技术 fcev是集汽车、电力拖动、自动控制、化学电源、计算机、新能源及新材料等诸多技术的复杂系统，对应整车系统的开发，包括的内容十分广泛，如：整车集成布置、车辆安全管理、能量管理策略的设计与优化、燃料供给、电堆温度管理及制动回馈等。2.2.1 整车集成布置燃料电池汽车的整车布置除去与传统汽车相同部分，还包括燃料电池堆与电机的布置，氢气管罐的安全布置以及高压电安全隔离。这些核心部件的布置，不仅要考虑布置方案的优化及零部件性能实现的便利，还必须考虑氢泄漏等传统汽车所不具备的安全性问题。目前

29、经过国内外样车试制，电池堆与电机主要采取前置方式；氢气罐布置更多考虑汽车碰撞安全性和车辆外形结构紧凑，多采用后置。2.2.2 燃料电池发动机系统 一个燃料电池系统由燃料电池堆、热交换器及空气压缩机等子系统组成，如图所示。对燃料电池的基本要求是： 1、高的比能量和比功率； 2、安全性好且成本低； 3、对环境无危害，可回收性好。 图2-2 燃料电池发动机系统2.2.3 燃料电池堆温度控制系统 燃料电池堆温度对燃料电池性能、寿命和运行安全有较大的影响。温度高将使质子交换膜脱水，不满足膜的湿润条件，其电导率下降，电池性能变差。特别是温度过高或超温运行，膜会出现微孔，使得氢气进入空气系统，危及运行安全；

30、温度过低则会降低催化剂活性，影响化学反应过程。温度控制系统是由温度传感器、散热风扇、水箱、电热丝和循环水泵等组成。 图2-3 燃料电池堆温度控制系统温度控制问题可以分为2种情况：1、在高温情况下，电堆温度不能自然下降，此时，可以借助冷却风扇和循环水泵带走电堆的热量，从而降低电池堆温度，由于电池堆内温度难以直接测量，所以实践中往往利用循环水的温度间接反映电堆内部温度。调节风扇转速可以使冷却循环水的温度控制在合适范围。循环水从电堆中经过，通过传导带走电堆的热量，流经散热片，并通过外面的冷却风扇来降温。2、在低温情况下，虽然电堆持续发电会产生热量，但是在室温较低或者燃料电池轻载的情况下，在短时间内很

31、难使温度达到合适范围，这时可采用电热丝对循环水进行加热，电热丝的加热方式采用分挡控制方式，电热丝由几条并联的电热丝组成，分别对应不同挡位。在不同情况下，通过控制每个电热丝的闭合和断开来实现。加热过的循环水通过循环水泵带入电堆，从而实现电堆加热。2.2.4 燃料供给一般燃料电池汽车燃料为空气和氢气，空气可自由获得，经由空气滤清器的过滤，被高速风机压缩，在经过空气流量计的测量后到达空气的电堆入口处。目前常用的制氢方法是电解水、裂解石油、煤和天然气制氢，制取的过程会消耗大量的能源。目前多采用液态储氢，氢气供给系统如图所示。氢瓶采用35mpa的储氢压力，在氢瓶顶端装有一体式组合瓶阀。瓶阀中包括高压电磁

32、阀、手动截止阀、安全阀、瓶内温度传感器和压力传感器等部件。加注口按35mpa压力标准选取，加注口内部具有颗粒过滤功能，可以对加注气体进行过滤，具有单向截止等功能，为了确保氢气通过加注口进入储气罐，在加注管道中增加一个单向阀。为了确保系统安全，在供氢管路中安装具有流量限制功能的溢流阀，高压气体通过减压后向燃料电池发动机提供稳定的氢气供应。 图2-4 氢气供给系统2.2.5 再生制动再生制动，即在车辆减速或制动过程中，通过带动电机发电的方式，将车辆的动能转化为电能储存的辅助蓄电池中，实现能量的回收，同时产生车辆所需的部分制动力。再生制动策略对燃料电池汽车的燃料经济性和行驶安全性有着直接的影响，是燃

33、料电池汽车的关键技术之一。制动减速过程中，制动力既要求满足较大制动强度的要求，又要受到电机运行速度和电池荷电状态等方面的影响，单一的再生制动可能导致电机制动力不足，为保证制动效能的稳定性，目前较多时采用由摩擦制动和再生制动组成的复合制动系统。2.2.6 重整器正如前面所提到的，一些燃料电池系统可能会要求使用车载重整器用来从液体燃料如汽油、甲醇或者乙醇中分离氢。将碳氢燃料分解为氢的车载重整器使得人们可以使用已经建造的基础设施，但同时增加了车辆的重量和成本，降低了车辆的效率。此外，重整器本身会产生一些排放污染物。pem燃料电池重整器将燃料和水相混合，生成额外的h2，将co转化为co2。然后，将co

34、2释放到大气中去。重整技术包括蒸气重整、部分氧化和高温电解重整。蒸气重整（sr）采用催化剂将燃料和蒸气转化为h2、co和co2，co和蒸气进一步混合重整产生更多的h2和co2。提纯过程是将co、co2和其他的杂质除去，使其达到较高的氢纯净度（97%99.9%），在车载碳氢化合物制氢的方法中，甲醇的sr法是开发最成熟、成本最低的方法，转化效率为45%70%。部分氧化（pox）重整与蒸气重整相类似，它们都是将燃料和水混合，但是部分氧化重整在额外的步骤中增加了氧。这种方法没有蒸气重整的效率高，但反应本身的热释放的性质使其对于变负荷比蒸气重整有更好的响应性。重油可以使用pox方法，但由于它们的碳氢比低

35、，限制了氢气的产量。通过水的电解同样可以获得氢。这种方法的缺点在于它需要消耗大量的电能。水蒸气高温电解的发展使这种操作可以在100的温度下进行，高温电解制氢的优点在于：（1） 减少了co的排放。生产商可以减少或者去掉氧化反应器和空气放气阀。这些要求的降低可以使系统的有效性提高5%10%，此外可以有效减少起动时间。剩余的co可以在排气管中的催化燃烧器中进行燃烧，用来防止尾气中co的排放。（2） 方便对电池堆进行冷却。减少了对散热器体积和燃料电池堆散热板的要求。（3） 操作过程与湿度互相独立。一般来讲，高温膜需要增湿器和水蒸气回收，而这种系统却不需要。2.3 燃料电池技术在汽车上的应用2.3.1

36、车用燃料电池 1、汽车用燃料电池研究最成功的是质子交换膜燃料电池(pemfc)。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用量大为降低，成本问题有望得到解决。2、在pemfc的基础上，以甲醇代替纯氢直接作为燃料，通过与氧结合产生电

37、流，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储，可以大为简化系统，这种pemfc称为直接甲醇燃料电池（direct methanol fuel cell,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。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

38、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8001000。在阳极一侧持续通入燃料气体，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

39、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受电解质所限，须高温（1000左右）工作，导致启动慢，这是sofc在汽车上应用的致命弱点。随着固体氧化物燃料电池技术的发展，其操作温度降至700800，与燃料的重整条件接近，可以实现燃料的直接内重整，不仅降低了堆栈成本，而且简化了热管理，使系统变得更紧凑，已经被用作汽车的辅助动力装置。对低温sofc的研究取得了突破性进展，采用新型低温固体电解质和高活性的电极材料，使工作温度降至500以下，若将其再与蓄电池或超级电容器联用，就可以用作汽车的动力源。无论是从技术还是从成本来看，低温sofc汽车都有希望与pemfc汽车在未

40、来的fcv市场上一较高下。 除了上述三种燃料电池在汽车上有很好的应用前景，碱性燃料电池（afc）和磷酸燃料电池（pafc）这两类最早开发的燃料电池也被应用于汽车，目前均有相应的样车推出。但是在汽车上的应用并不成熟，还有大量的技术问题有待解决，所以不为人们所关注。2.3.2 燃料电池汽车优点 （1）零排放或近似零排放。 （2）减少了机油泄露带来的水污染。 （3）降低了温室气体的排放。 （4）提高了燃油经济性。 （5）提高了发动机燃烧效率。 （6）运行平稳、无噪声。 2.4 燃料电池汽车商业化中存在的问题2.4.1 存在的主要问题 大多数燃料电池汽车所采用的电池都是质子交换膜燃料电池( pemfc

41、) ，因为pemfc 具有能量转化效率高、环境友好、可在室温下快速起动、无电解液流失、水易排出、寿命长、比功率与比能量高等突出特点，特别适宜于用作可移动动力源，是电动车的理想电源之一。但是要实现质子交换膜燃料电池汽车的商业化，还有很多关键问题需要解决： 1、开发高性能低成本的双极板，提高电池组的体积比功率。 2、开发高性能低成本的质子交换膜，提高燃料电池系统工作温度。 3、开发阴极新触媒，以降低过电位、增加交换电流密度，降低成本。 4、提高燃料电池电汽车的环境适应性，如低温起动性能。 5、提高燃料电池汽车的安全性。 6、资源再循环利用问题，即如何进行催化剂的再利用。 7、氢气的来源问题，即如何

42、经济地制造氢气。 8、氢气的储存问题，即如何提高燃料电池汽车的续航能力。 9、加氢站的建设问题，解决燃料电池汽车的加氢问题。2.4.2 性能与成本问题 要实现燃料电池汽车的商业化，必须使燃料电池汽车的性能相当于甚至优于现在的内燃机汽车，同时价格与现在的内燃机汽车价格持平甚至比其更低。而目前的燃料电池汽车成本相对较高。导致燃料电池汽车成本如此高的主要原因在于燃料电池系统本身的成本太高。如何提高燃料电池性能并降低其制造成本是燃料电池汽车商业化的关键问题之一。 1、成本问题 无孔石墨双极板的费用在燃料电池系统成本中占第一位，为其总成本的50 %以上。无孔石墨板的优点是导电性好、质量轻和耐腐蚀，缺点是

43、机械强度低、不易加工以及难以薄片化(现有水平是1. 55mm) 。与之相比,金属双极板仅100m 厚就可以达到相同的强度。而且在石墨板上机械加工流场的工艺难度很大，这也导致其费用居高不下。采用金属板和复合板不仅能大幅度降低其材料的成本和加工流场的难度，而且还可以采用批量生产技术，达到降低成本和提高电池组体积比功率的目的。 质子交换膜的费用在燃料电池系统成本中占第二位。现在广泛采用的全氟磺酸型膜的工作温度极限为85，极大地限制了燃料电池电堆的工作温度。在这种情况下，为保证大功率燃料电池的正常工作，必须将电池产生能量的51 %用于冷却燃料电池系统，转移所产生的热量，从而降低了燃料电池的比功率。提高

44、质子交换膜所用高分子材料的使用温度和燃料电池电堆的工作温度及开发低成本的质子交换膜，已成为质子交换膜燃料电池汽车商业化的关键问题。 在燃料电池系统中,催化剂铂的用量已从20世纪80年代时的4 mg/cm2下降到目前的0. 20. 4mg/cm2。所以，铂的费用已经不再是燃料电池系统的主要成本。但铂是人工无法合成的元素，而且是非常匮乏、昂贵的元素，当燃料电池广泛应用于汽车时，可能会引起铂来源不充分而涨价的问题。所以，寻求铂的替代物以及完善铂的回收技术也是燃料电池商业化中的一个重要问题。 2、性能问题 低温起动性能和安全性能是燃料电池汽车商业化中的两个关键问题。要实现燃料电池汽车的商业化，必须将其

45、低温起动温度降低到- 20以下，这样才能满足绝大部分地区的使用条件。 燃料电池的耐久性也是阻碍燃料电池汽车商业化的主要问题之一。美国能源部对燃料电池电动车耐久性的目标是5 000 h ，而现在大部分燃料电池发动机的寿命只有2 000 h 。2.4.3 燃料供应与基础设施问题 实现燃料电池汽车的商业化，燃料的供应和基础设施建设问题必须得到同步解决。设想燃料电池汽车本身性能和成本都满足商业化要求，但是无法解决燃料供应和基础设施配套的问题，那么燃料电池汽车将失去燃料来源，燃料电池汽车的商业化依旧不能实现。 1、燃料的供应问题 氢气供应方面，尽管现在有部分燃料电池汽车采用车载制氢的方式，但是燃料电池汽

46、车最终采用的方式应该是纯氢直接供应。因为现场制氢系统极其复杂，在空间有限的汽车上安装一套车载制氢系统很困难。 如果燃料电池汽车实现商业化，那么氢气的需求将是巨大的，如何解决氢气的来源问题，以及如何用最经济和最环保的方法制取氢气是一项关键技术。氢的来源很多，现在主要是通过化石燃料的重整来制取，这并没有完全摆脱对传统燃料的依赖，而且依旧会产生污染气体。未来，利用太阳能和核能制氢、生物制氢是重点发展方向,这也是现在世界各国研究的热点课题。 2、燃料的储存问题 燃料电池汽车商业化的另一个难题是如何在车上安全、高效地储存氢气，保证车辆有足够的续航里程。目前主要的储氢方法有高压储氢、液态储氢、金属氢化物储

47、氢和吸附储氢，这些方法各有优缺点。如何提高高压储氢系统的体积储氢密度、如何解决液氢的汽化问题和成本问题、如何提高金属氢化物储氢的质量密度问题等也是决定燃料电池汽车商业化的关键技术之一。 3、基础设施建设问题加氢站等基础设施缺乏，这是困扰燃料电池汽车产业化的最大障碍。如果没有大量方便的加站，燃料电池汽车不可能正式走上高速公路，但如果没有大量的燃料电池汽车所产生的需求，大量的加氢站不可能出现。2.5我国燃料电池汽车的发展现状 在质子交换膜燃料电池技术发展的基础上，1998年，北京理工大学及清华大学开发了燃料电池微型电动车，2000年底上海神力科技有限公司开发了”氢动力一号”游览车，并亮相于2000

48、年上海工博会。2001年1月，中科院大连化学物理所、电工所、东风汽车公司研制了30kw燃料电池中巴车，北京绿能公司也于200年也装出了自己研制的燃料电池车。2003年8月，同济大学与上海汽车集团联合推出了我国首辆燃料电池混合动力轿车“超越一号”，并经过了国家科技部检验。作为我国第一代燃料电池混合动力汽车的样车，“超越一号”以桑塔纳2000为基体，采用了我国拥有完全自主知识产权的纯氢燃料电池动力平台，标志着我国燃料电池汽车发展的里程碑，大大缩短了我国与世界先进水平的差距。2002年1月，中科院宣布启动知识创新工程重大项目“大功率质子交换膜燃料电池发动机及氢源技术”，这项重大项目的启动将为我国汽车

49、工业在新世纪的跨越发展提供技术动力。因此，鉴于pemfc汽车在各类电动汽车发展中的明显优势，应该得到重点的发展。2006年8月17日，是我国燃料电池汽车研制进程中一个特别的日子，由中科院大连化学物理研究所等自主研发的两辆燃料电池观光示范车，在大连市的星海广场投入了公交车的试运行。2007年新一代燃料电池汽车由同济大学联合上汽等单位共同研制，使用的是副产纯氢能源，仅新车的动力平台就有65项专利，整车加起来专利超过200项。据了解，在“超越3号”的基础上，“超越荣威”的性能已达到“奔驰”同类燃料电池汽车的主要指标。 2.6 我国的氢汽车 世界上最环保的氢气燃料汽车最先在英国伦敦投入运行。中国也正在

50、发展和使用氢汽车。汽车业界很多人士认为，氢汽车技术出现时间并不长，中国的氢汽车技术与美国和日本这样的氢汽车研制水平高的国家之间也没有不可逾越的鸿沟。随着中国汽车工业与先进汽车生产国之间的合作日益密切，中国的氢汽车技术正在迎头赶上，氢汽车在中国的使用甚至可以与世界同步。2.6.1 氢燃料电池汽车存在的问题氢燃料电池汽车的发展主要有几个障碍。 首先，氢的密度很低，就算燃料以液态形式储存在低温瓶或压缩气体瓶，能够储存的能量十分有限。有些研究已经用特别结晶体来储存氢在较高密度的环境中，而且更安全。 另外一种方法是不储存氢分子，而使用重组器来从传统燃料如甲烷、汽油和乙醇中提取氢。但这种方法没有摆脱对化石

51、燃料的依赖。 其次，制造能在氢气车上可靠使用的燃料电池耗资颇高。燃料电池的设计大都脆弱，故不能在那些情况下保存。2.6.2 氢能预测 从理论上讲，任何能发生电化学氧化还原反应的气体均可作为燃料电池的燃料或氧化剂。根据燃料电池的发电原理，氢气是最理想的燃料。一是氢气可以直接参与电化学反应；二是氢燃料电池的产物中只有洁净的水蒸汽，对环境不会造成任何污染。氢能大量储存在水中，虽然取之不尽，但直接使用热分解或是电解的办法从水中制氢、显然不划算。因此多数科学家将目光转向了利用太阳能，但是现在还存在许多技术障碍。目前，正在进行太阳能分解水制氢、太阳能发电电解水制氢、阳光催化光解水制氢、太阳能生物制氢等方面

52、的研究。 氢具有高的电化学反应活性，可以从石油、天然气、甲醇、烃类或煤等通用燃料中转化而得。生物质能也是氢的重要来源，如：细菌制氢、发酵制氢及沼气回收等。工业副产氢也是燃料电池获得燃料的有效途径。据统计我国在合成氨工业中氢的年回收量可达标1512m3；在氯碱工业中有9222m3的氢可供回收利用。此外，在冶金工业、发酵制酒厂等生产过程中都有大量氢可回收。 除氢气之外，还有一些气体如co也可作为mcfc与sofc的燃料。这样，天然气、管道煤气均是大型燃料电池发电站可资利用的丰富燃料资源。从长远发展看，高温型mcfc和sofc系统是利用煤炭资源进行高效、清洁发电的有效途径，因此，我国丰富的煤炭资源也

53、是燃料电池所需燃料的巨大来源。 氢能开发利用首要解决的是廉价的氢源问题。从煤、石油和天然气等化石燃料中制取氢气，国内虽已有规模化生产。但从长远观点看，这已不符合可持续发展的需要。从非化石燃料中制取氢气才是正确的途径。在这方面电解水制氢已具备规模化生产能力，研究降低制氢电耗有关的科学问题，是推广光解水制氢的关键。光解水制氢其能量可取自太阳能,这种制氢方法适用于海水及淡水，资源极为丰富，是一种非常有前途的制氢方法。 储氢技术是氢能利用走向实用化、规模化的关键。根据技术发展趋势，今后储氢研究的重点是在新型高性能规模储氢材料上。国内的储氢合金材料已有小批量生产，但较低的储氢质量和高的价格仍阻碍其大规模应用。镁系合金虽有很高的储氢密度，但放氢温度高，吸放氢速度慢，因此研究镁系合金在储氢过程中的关键问题，可能是解决氢能规模储运的重要途径。近年来，纳米碳在储氢方面已表现出优异的性能，有关的研究国内外尚处于初始阶段，应积极探索纳米碳作为规模储氢材料的可能性。 在氢能利用方面，燃料电池发电系统仍是实现氢能应用的重要途径。在我国质子交换膜燃料电池已有技术基础