电动汽车中燃料电池技术的研究

电动汽车中燃料电池技术的研究庄加兴（南京理工大学自动化学院南京210094）摘要:如今，全球汽车产业都在承受着石油短缺，环境污染所带来的巨大挑战。于是，越来越多的目光又重新回到了电动汽车的身上。本文便对最具发展前景的燃料电池的基本工作原理、重要发展意义及现有瓶颈进行深入探究。文中也提出了一些解决措施，并列出了一些关于如何发展和推广燃料电池技术的个人意见。关键词：燃料电池原理重要意义现有瓶颈发展与推广ResearchOnFullCellTechnologyInElectricCarAbstract:Nowadays,carindustryallovertheworldisbearingthehugechallengewhichcomesfromoilshortageandenvironmentpollution.Then,moreandmorepeopleturntheirattentiontoitagain.Thispassagemakeanin-depthexplorationtothemostpromisingfullcell,includingthebasicoperatingprinciple,thesignificanceofitandthebottleneckexistingnow.Ialsoputforwardsomesuggestionsabouthowtodevelopandpromotethetechnologyofthefullcell.Keywords:principleoffullcellsignificancebottleneckdevelopandpromote1.引言汽车工业作为国民经济的支柱产业，是衡量一个国家工业化水平的重要标志。随着汽车产业的飞速发展，其本身也给我们带来了一系列环境，资源方面的问题。于是，一百多年前被我们抛弃的电动汽车方案又重新回到了我们的视线中。它也将带领我们在低碳经济时代迈出重要的一步。事实上，电动汽车所使用的电池种类繁多，而铅酸蓄电池可以算是其中应用历史最长，也是最成熟，成本售价最低廉的蓄电池。它已经实现大批量生产，但也逐渐暴露出许多缺陷，如比能量低，所占质量和体积太大，一次充电行驶里程短，循环寿命低，且其中的铅作为重金属存在着污染，因此不适合现代电动汽车发展的需要.当然还有其他许多类别的电池，比如镍氢电池，锂离子电池，太阳能电池，超级电容器等，它们也是各有利弊，代表着电动汽车电池未来的各种发展方向。本文介绍的是燃料电池，其最大的特点就是几乎“零污染”，号称“终极电池”。我想，光凭这一点，它便可以成为我们所追求的未来理想电池了，也正因为这样，各个国家及各大汽车公司都非常重视燃料电池的研究与开发。由此可见，燃料电池对于当今和未来社会都极为重要，尤其是在这个资源日益枯竭的21世纪。因此，了解和掌握燃料电池的原理，并以越来越成熟的技术将其运用到电动汽车产业上去，是必要甚至是迫切的。本文也将为大家介绍燃料电池的基本工作原理，其中，以质子交换膜燃料电池为拓展，更深层次地去理解燃料电池的工作过程。之后将会探讨燃料电池对人类，对社会，对当下与未来到底有多大的意义，它现在所面临的困境又是怎样的，最后，我们应该采取怎样的一种战略去真正发展和推广这项技术，让燃料电池车普遍地流行起来，造福社会。2.基本原理燃料电池是一种化学电池，它直接把物质发生化学反应时所释放的能量转化为电能，工作时需要不断接受燃料和氧化剂。由于它是把燃料的化学能转变为电能输出，故称燃料电池。燃料电池种类繁多，目前正在开发的商用燃料电池依据电解质类型可以分为五大类：1.碱性燃料电池（alkalinefuelcell,AFC)2.磷酸燃料电池（phosphoricacidfuelcell,PAFC)3.质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell,MCFC)4.熔融碳酸盐燃料电池（moltencarbonatefuelcell,MCFC)5.固体氧化物燃料电池（solidoxidefuelcell,SOFC)。而如此多种类的燃料电池，要讲它的基本原理，当然还得从氢氧燃料电池讲起。氢氧燃料电池供电的过程实际上就是一个电解水的逆过程，通过氢氧的化学反应生成水，同时释放出所需要的电能。氢气和氧气分别作为燃料电池在电化学过程中的燃料和氧化剂，其基本反应过程如下：（1）氢气通过管道或导气板达到阳极。（2）在阳极催化剂作用下，一个氢分子分解为两个氢离子，并释放出两个电子，阳极反应为：eHH222（3）在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。（4）在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反应为：OHeHO222221总的化学反应为：OHOH22221与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当的连接可以向负载输出电能。燃料电池的工作原理与普通的电化学原电池或充电电池类似，都是通过电化学反应将化学能转化成电能。但两者之间还是有本质差别的。普通的原电池或充电电池是一个封闭的系统，封装后与外界只存在能量交换而没有物质交换。当电池内部的化学物质耗尽或反应条件发生变化时，系统就无法继续输出能量。而燃料电池则不同，参加反应的化学物质，如氢和氧，是有燃料电池外部的单独供气系统供给的，只要保证物质供应的连续性，就可以保证能量输出的连续性。从这个意义上来讲，燃料电池本身是一个开放的发电装置，这正是燃料电池与普通电池的最大差别。在上述所提及的燃料电池里面，目前得到应用的是质子交换膜燃料电池（PEMFC)。相对于其他几种燃料电池，PEMFC有以下优点：功率密度高，工作温度低，电解液为固态，对二氧化碳不敏感，可以说PEMFC是最有前途的燃料电池之一，这里我们也有必要简单介绍一下质子交换膜燃料电池的工作过程。PEMFC在原理上也是相当于水电解的逆装置。其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极为氢燃料发生氧化的场所，阴极为氧化剂还原的场所，两极都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜为电解质。导入的氢气阳极集流板经由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层，在阳极催化剂作用下，氢分子分解为带正电的氢离子并释放出带负电的电子，完成阳极反应：氢离子穿过膜到达阴极催化剂层，而电子则由集流板收集，通过外电路到达阴极，电子在外电路形成电流，通过适当连接可向负载输出电能；在电池的另一端，氧气通过阴极集流板（双极板）经由阴极气体扩散层到达阴极催化剂层。在阴极催化剂的作用下，氧与透过膜的氢离子及来自外电路的电子发生反应生成水，完成阴极反应；电极反应生成水的大部分由尾气排出，一小部分在压力差的作用下通过膜向阳极扩散。阴极和阳极发生的电化学反应为：eHH4422OHOHe22244电池的总反应为：OHOH22222上述过程是理想的工作过程，实际上，整个反应过程中会有很多中间步骤和中间产物的存在。3.重要意义3.1环境意义燃料电池汽车是新能源汽车中的一种，也是为了响应发展新能源汽车的号召。燃油汽车在行驶过程中所产生的大量有害气体大大影响了人类的健康，使油气资源日益枯竭，也严重影响了地球的生态圈。而燃料电池车的出现恰恰是解决了这些困扰人类许久的难题，尽管现在各方面技术还不够成熟，但它的出现的确让我们看到了希望与曙光，它让我们坚信电动汽车是我们的出口与未来，而燃料电池车是电动汽车的未来，燃料电池必将给汽车动力带来一场革命。3.2优越性能燃料电池在工作过程中将外界供给的活性物质的化学能用电化学方式直接转化为电能，只要外部活性物质的供给不间断，燃料电池就会持续工作。所以，质子交换膜燃料电池汽车的行驶里程比普通电动汽车要长得多。燃料电池汽车的使用性能，如行驶速度、加速能力、一次加注燃料续驶里程等方面，可以和目前的燃油汽车相媲美。这是燃料电池汽车易于被使用者接收的主要特征。4.现有瓶颈目前，燃料电池汽车的开发和示范运行都已经证明其技术的可行性，但要达到实用化还面临着很多挑战，主要有这么几个方面。4.1电池寿命首先，燃料电池的寿命有待进一步提高。目前，燃料电池的使用寿命只有2000到3000小时，而要想燃料电池车实用化，必须要让电池寿命大于5000小时。因此，我们要减缓和消除材料和性能的衰减，增加对燃料与空气中杂质的耐受力，还要提高零度以下储存和启动的能力，而这些方面也成为了现在研究的热点。4.2能量来源其次，氢气的来源问题以及基础设施的建设。如何增大氢气的来源并能配合公共设施来给我们的电动汽车提供源源不断的动力是一个巨大的难题，这需要政府的大力支持和推广。4.3成本太高还有就是燃料电池的成本现在依然居高不下。这不仅会让制造商举步维艰，也会让购买者望而却步，这里就需要国家对电动汽车产业的支持，补贴，来带动这个产业的发展。当然，开发人员也要努力积极地研究更好的替代材料以从根本上解决这个问题。5.发展与推广我认为推广和发展燃料电池的使用，就是促进燃料电池车产业的发展。这需要各方面的不懈努力和齐心协力。首先国家和政府需要制定一些具有前瞻性的电动汽车发展计划，制定合理、有效的财税金融扶持政策。现在燃料电池的成本依然居高不下，所以必须要有政府或者企业的支持，支持生产投入，也要支持研究方面的投入，尽管现在看来会耗费一些财力，但一旦有所发现或普遍化规模化之后，其产生的效益与回报也是巨大的。同时也要鼓励企业合作创新，实现产业链优化升级，大力加强基础配套设施建设，为燃料电池车的普及打好坚实的基础。其次企业或者说研究部门也要加紧研究，自主创新，互相合作。如果能从材料上作出创新，就能从根本上降低电池成本。企业也要做好市场的调研与产品的推广，让更多人了解燃料电池和电动汽车。最后我们个人方面要积极关注当今燃料电池车的发展走向和最新动态。要深刻理解它对我们社会和地球环境的重要意义，要主动学习掌握燃料电池车的原理，走在潮流的前端，并向更多人推广开来。参考文献：[1]门保全.电动汽车[M].湖南：湘潭大学出版社.[2]崔胜民.新能源汽车技术[M].北京：北京大学出版社.[3]陈全世，仇斌，谢起成.燃料电池电动汽车[M].北京：清华大学出版社.[4]王文伟，毕荣华.电动汽车技术基础[M].北京：机械工业出版社.[5]王菊，郑贺悦，尤可为，于丹.燃料电池汽车技术政策研究[M].北京：北京理工大学出版社.[6]石川宪二.新能源汽车技术及未来[M].北京：科学出版社.[7]臧杰.新能源汽车[M].北京：机械工业出版社.[8]杨沿平，唐杰，胡纾寒，陈轶嵩.中国汽车节能思考[M].北京：机械工业出版社.[9]邹政耀，王若平.新能源汽车技术[M].北京：国防工业出版社.