清洁能源汽车的开发动向———燃料电池汽车北京汽车附件研究所 郭志东 摘要　燃料电池汽车的关键部件是燃料电池。

燃料电池按燃料供给方式可分为直接氢燃料电池、改质燃料电池和直接甲醇型燃料电池,指出固体高分子型燃料电池可满足汽车对燃料电池的各项要求,介绍燃料电池的结构、工作原理、研究开发动向及今后的课题。

关键词:　燃料电池 工作原理 开发动向Abstract　Fuel cell is the key component of fuel cell vehicle.It is divided into direct hydrogen fuel cell,diversional fuel cell and direct methanol fuel cell according to the fuel supplying way.This paper points out that the solid high molecular fuel cell can meet the various requirements of auto and introduces the structure,working principle,research and developing trends and the future task.K ey w ords:Fuel cell　Working principle　Developing trend 目前,汽车使用的能源主要是石油产品———汽油和柴油。

汽车发动机在燃烧这些燃料时会排出大量对人体和环境有害的物质,比如,一氧化碳CO、碳氢HC 会损害人的呼吸系统;氮氧化物NO x经太阳光照射会发生光化学反应,产生刺激人的眼睛、鼻子、口腔粘膜的烟雾。

因此,许多国家都在积极研究开发高效、节能、低污染的汽车。

当前,正在使用与开发的低污染汽车大体有如下种类:天然气汽车———包括压缩天然气汽车(CN G)、液化天然气汽车(LN G)、吸附天然气汽车(AN G),甲醇汽车,氢燃料汽车,混合型汽车(双动力源汽车,如:发动机和电动机)和电动汽车。

电动汽车又分为蓄电池汽车、燃料电池汽车和太阳能电池汽车。

其中,燃料电池汽车是近几年来开始研究开发的新型汽车。

1　汽车用燃料电池111　燃料电池的种类及汽车对燃料电池的要求燃料电池汽车的关键部件是燃料电池。

燃料电池按电解质分类,可分为碱性水溶液型(AFC:Alkaline Fuel Cell),磷酸电解质型(PAFC:Phosphoric Acid Fuel Cell),熔融碳酸盐型(MCFC:Molten Carbonate Fuel Cell),固体氧化物型(SOFC:S olid Oxide Fuel Cell),固体高分子型(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell或PEM:Proton Exchange Membrane),见表1。

按燃料供给方式可分为直接氢燃料电池、改质燃料电池和直接甲醇型燃料电池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)。

除直接甲醇型之外,其它类型的燃料电池所用的燃料都是氢。

用于汽车的燃料电池需要具备以下条件:表1　氢燃料电池的种类和性能种　类电解质工作温度/℃效率密度/W・cm-2备　注磷酸电解质型磷酸200011 开发成绩大固体高分子型氟素高分子1001～2 最近发展迅速碱性水溶液型氢氧化钾100以下015 已在宇宙飞船上使用熔融碳酸盐型碳酸硅,碳酸钾600～700012 有望在大型发电站使用固体氧化物型氧化锆1000013 有望在大型发电站使用 a1可以在常温下工作;b1有较高的电流密度;c1便于打开修理(更换电解质膜);d1有较好的耐冲击性能和抗振性能;e1可进行从低负荷到高负荷的运转;f1可以在冰点以下环境温度中放置。

在上述各种燃料电池中,固体高分子型燃料电池可以满足上述各项要求。

直接甲醇型燃料电池也具有满足这些要求的可能性。

112　氢燃料电池11211　工作原理和结构燃料电池的工作原理非常简单。

当2枚电极插入水中通电后,正极会产生氢气H 2,负极会产生氧气O 2,这就是人们通常所说的水的电解。

当氢气、氧气接触时生成大量的热能。

燃料电极正是利用这一原理,将氢气和氧气分别输入到特殊构造的封闭电极上,利用电化学反应的方法,将氢气和氧气接触时产生的热能直接转换成电能。

燃料电池的结构也极其简单。

以丰田汽车公司的固体高分子型燃料电池的结构为例(图1),正、负两个电极由极薄的膜状电解质隔开相对而置,镀有白金触媒的负极一侧排列着与旁边正极分离的分隔物,形成一个电池。

图1　固体高分子型燃料电池的结构供到负极一侧的氢气H 2被白金触媒激活,分解成带负电荷的电子e -和带正电荷的氢离子H +(图2),氢离子通过只能透过氢离子的高分子电解质膜,移图2　燃料电池内部化学反应情况动到正极。

正极一侧供给空气。

空气中的氧气O 2遇到氢离子便发生反应,变成水H 2O (化学式:1/2O 2+2H ++2e -→H 2O )。

这时的反应能量会直接以电力的形态产生在两极,驱动汽车的电动机。

目前,一个固体高分子型燃料电池的电压很小,仅达016V 。

但是,其电极单位面积的功率密度较大,可达到1～2W/cm 2,大约是其它型电池的2～10倍(参见表1)。

因此,近年来固体高分子型燃料电池受到汽车研究部门的高度重视,研究工作进展迅速,现在已接近实用化水平。

11212　燃料电池系统简介图3是固体高分子型燃料电池系统概况图。

燃料氢由储氢罐提供,经燃料电池、加湿器进行系统内部循环。

空气由气泵供给。

氢和空气的压力通常是为常压或数个大气压。

如果提高系统内的压力,虽然可以增加功率密度,但是,气泵的负荷会增加,效率会下降。

氢的循环量是一定的,与负荷无关。

图3　固体高分子型燃料电池系统概况图　从燃料电池中产生的水,由冷凝器冷却回收,再由反馈泵送往加湿器,然后再送入燃料电池。

这是为了使电解质膜经常保持一定湿度,保证起电效率。

剩余的水则被排出系统。

由于固体高分子型燃料电池的工作温度低,产生的水一旦在电池内凝缩滞留,便会防碍气体流动,影响氢、氧反应,降低转换效率。

因此,要对多余的水分进行控制。

113　改质燃料电池所谓改质燃料电池,是把甲醇、天然气或汽油等燃料进行改质,通过改质来得到氢,然后再送入燃料电池使其工作,进行发电。

图4是甲醇改质型燃料电池系统图。

甲醇像汽油那样储存在油箱中,由电泵将甲醇和水的混合液送入改质器。

改质器由燃料汽化、改质反应和CO 处理3部分组成。

送入改质器的甲醇和水的混合液在经过加热了的蒸发器后被汽化。

汽化的气体进入改质反应部分,在触媒的作用下,改质成氢气H 2和二氧化碳CO 2。

反应式为:CH 3OH +H 2O →3H 2+CO 2。

图4　甲醇改质型燃料电池系统图由于在改质过程中会生成微量的一氧化碳CO ,而且仅百万分之几的CO 就会使燃料电池的氢极一侧的白金触媒中毒,使其转换性能下降。

因此,改质后的气体(3H 2+CO 2)还要经过CO 降低处理后才能送入燃料电池。

目前已经得知,如果在白金触媒中加入钌Ru ,即使CO 的体积分数接近10-4,也可得到与固体高分子型燃料电池同等程度的转换性能。

由于改质器在工作过程中不可避免地要进行加热燃烧,因此,仍会产生CO 、HC 、NO x ,但与汽油机相比,其产生量是微乎其微的。

在改质阶段虽然也产生CO 2,但是由于它的能量效率比汽油车高2倍,因此,即使将资源开采和燃料制造阶段所产生的CO 2也包含在内,其排量也仅为汽油车的1/2。

通过化学反应可得到氢燃料的不仅是甲醇,天然气、汽油等主要成分为碳氢化合物的燃料都可以改质成氢。

114　直接甲醇型燃料电池直接甲醇型燃料电池实际上是直接使甲醇发生电化学反应进行发电的一个系统。

其电解质离子交换膜上载有磷酸物质。

工作温度较低,为150℃。

与固体高分子型燃料电池相比,具有可省掉改质器、使系统简单化并提高负荷响应性的优点。

但是,它也有反应速度慢,造成功率密度下降、白金使用量较多以及甲醇与氧化剂交迭的缺点。

2　燃料电池汽车的开发动向燃料电池汽车的能量转换效率很高,达60%,排放的也只是水,非常清洁,因此,受到广泛的重视。

美国的能源部(DOE )专门设立了燃料电池的研究开发项目,组织美国的福特、通用、克莱斯勒三大汽车公司参与研究与开发工作。

表2是美国三大汽车公司的轿车燃料电池开发计划。

1997年美国的福特、克莱斯勒和日本的日产,1998年美国的通用分别展示了各自的燃料电池概念车。

有些国家还将燃料电池汽车作为国家项目,像德国、英国等国家在把它作为国家项目加以支持的同时,还利用欧共体下属组织欧委会开展跨国合作。

表2　1999年美国三大汽车公司轿车燃料电池开发计划公司名称燃料供给方式耐　久　性时间/h行程/km福 特直　接　氢通 用甲醇改质氢克莱斯勒汽油改质氢5000160900表3是近几年来世界各汽车厂家开发的燃料电池汽车。

它们所用的燃料电池全部是固体高分子型燃料电池。

输出功率为20～260kW 。

燃料为直接氢、甲醇改质氢。

表3　燃料电池汽车的最新开发状况项 目马自达 丰 田 奔 驰 雷诺、沃尔沃等Ballard 1)轿　车轿　车厢式货车N ECAR Ⅱ2)N ECAR ⅢN EBUS 3)厢式货车客车公布日期1993年1996年1997年9月1996年1997年5月1997年9月1997年1995年燃料供给方式直接氢直接氢甲醇改质直接氢甲醇改质直接氢直接氢直接氢燃料电池性能最大输出功率/kW 2020—505025030260长×宽×高/mm ×mm ×mm 70×110×2201050×5000×230——————数量4个——2个2个10个3个20个最高速度/km ・h -190——110120——95一次充填行驶距离/km170250—250400——400注:1)Ballard 为加拿大的一家公司。

　2)New Electric Car 为新电动轿车。

　3)New Electric Bus 为新电动客车。

3　燃料电池汽车的课题目前,提供氢气的方法有两个,一是使用纯氢气,二是使用碳氢燃料改质成氢混合气。

使用高压氢气瓶、液态氢罐、氢吸附合金罐等将纯氢气送给燃料电池的方法,不受改质气的影响,且系统也很简单,可得到高性能电池。

但是,它的燃料价格、容器品质、使用安全性以及社会设施等是面临的问题。

使用碳氢燃料在车上改质成氢气,然后供给燃料电池的方法,燃料容易补充,一次补充燃料的行驶距离也可以变长。

但是在改质燃料时,需要针对燃料的种类(甲醇、乙醇、甲烷、丙烷、汽油)使用最佳的改质方法(如:水蒸气改质法、部分氧化改质法等)。