车用燃料电池的分类与优缺点分析研究
摘要：新能源中使用最多的就是氢燃料汽车，而氢燃料汽车又不离不开燃料电池这一关键部件。本文详细论述了作为新能源汽车的关键部件----氢燃料电池的分类，并根据他们的各种分类，又详细介绍了其中的质子交换膜燃料电池的分类和特点，从而为人们正确使用和客观认识这些新能源提供了一定的帮助。
关键词：燃料电池，分类，优缺点
众所周知，氢能源燃料汽车中必须的关键部件，燃料电池就是把燃料中的化学能直接通过电化学反应转化为电能的生电装置。复合电池中的单体电池由电解质和正、负电极（燃料电极、氧化剂电极）组成。电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应，电子通过外电路作功，产生电能。只要有燃料和氧化剂（纯氧或空气）不断输入，燃料电池就能源源不断地产生电能，因此，燃料电池具有热机和电池的特点，具有能量转化效率高、无环境污染物排放、可低温快速发展启动、振动和噪声等级低等特点。
一、氢燃料电池的分类：
按氢燃料电池的运行机理来分类，可以分为酸性燃料电池和碱性燃料电池；按电解质的种类不同，有酸性、碱性、熔融盐类或固体电解质：碱性氢燃料电池（AFC）、质子交换膜氢燃料电池（PEMFC）、磷酸氢燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐氢燃料电池（MCFC）、固体氧化物氢燃料电池（SOFC）。这几种电池的特点各有不同，如上表所述。
1、酸性燃料电池，一般都是磷酸燃料电池，磷酸燃料电池（PAFC）当前阶段商业化发展得最快，使用液体磷酸为电解质，工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，需要50 - 200℃左右才能启动，但仍需要电极上的白金催化剂来加速反应。在它的阳极和阴极上的反应由于其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要快很多。
2、碱性燃料电池（alkaline fuel cell，AFCS）的出现是一个标志着燃料电池技术的新发展事件，最初由美国航空航天局的太空计划研制，同时生产电力和水以供应航天器上的宇航员使用。由于碱性燃料电池含碳产物和碱性电解质的腐蚀，缩短了其使用寿命，因此，此种电池在以后的应用中受到一定程度的限制。
3、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，其电解质是熔融态碳酸盐。它作为一种高温燃料电池，可以
实现较高的发电效率，接近零排放，并且燃料来源广泛，从氢气到含一氧化碳的气体都可以作为原料。在应用于分布式发电中，这种电池是最有前景的燃料电池技术之一。目前在美国、日本、韩国、欧洲等国家和地区已经建立了很多兆瓦级熔融碳酸盐燃料电池发电站系统。[7]
4、固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，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，是几种燃料电池中，理论能量密度最高的一种。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池（PEMFC）一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。在所有的燃料电池中，SOFC的工作温度最高，属于高温燃料电池。近些年来，分布式电站由于其成本低、可维护性高等优点已经渐渐成为世界能源供应的重要组成部分。
5、质子交换膜燃料电池（PEMFC）采用可传导离子的聚合膜作为电解质，所以也叫聚合物电解质燃料电池（PEFC）、同体聚合物燃料电池（SPFC）或固体聚合物电解质燃料电池（SPFC）。
质子交换膜燃料电池是在电动汽车上最有应用前景的电力能源之一。组成质子交换膜燃料电
池的基本单元是单体燃料电池。如前所述，单体电池的电化学电动势大约1V左右，其电流密度约为100mA/cm²。因此，一个实用化的质子交换膜燃料电池系统，必须通过单体电池的串联和并联形成具有一定功率的电池组，才能满足绝大多数用电负载的需求。此外，还要为系统配置氢燃料储存单元，空气（氧化剂）供给单元，电池组温度、湿度调节单元，功率变换单元及系统控制单元等，将燃料电池组成为一个连续、稳定的供电电源。在质子交换膜燃料电池中，根据氟含量，可以将燃料电池质子交换膜分为全氟质子交换膜、部分氟化聚合物质子交换膜、非氟聚合物质子交换膜、复合质子交换膜。其中，由于全氟磺酸树脂分子主链具有聚四氟乙烯(PTFE)结构，因而带来优秀的热稳定性、化学稳定性和较高的力学强度;聚合物膜寿命较长，同时由于分子支链上存在亲水性磺酸基团，具有优秀的离子传导特性。非氟质子膜要求比较苛刻的工作环境，否则将会很快被降解破坏，无法具备全氟磺酸离子膜的优异性能。所以，质子交换膜燃料电池又可以分成以下的几种类型：
1）全氟燃料电池质子交换膜最先实现产业化。全氟类质子交换膜包括普通全氟化质子交换膜、增强型全氟化质子交换膜、高温复合质子交换膜。20世纪80年代初，加拿大Ballard公司将全氟磺酸质子交换膜用于PEMFC并获得成功以来，全氟磺酸膜成为现代PEMFC唯一商业化的膜材料。增强型全氟化质子交换膜主要包括PTFE、全氟磺酸复合膜和玻璃纤维、全氟
磺酸复合膜。高温型复合质子交换膜主要包括杂多酸、全氟磺酸复合膜和无机氧化物、全氟磺酸复合膜。
2）部分氟化燃料电池质子交换膜
美国通用电气公司(GE)在20世纪60年代就在宇宙飞船上应用了磺化聚苯乙烯质子膜的PEM燃料电池。为提高磺化聚苯乙烯质子PEM的性能，加拿大Ballard公司开发了BAM系列PEM。这是一种典型的部分氟化聚苯乙烯PEM。其热稳定性、化学稳定性及含水率都获得大幅提升，超过了Nafion117和Dow膜的性能。同时，其价格相较全氟型膜更低，在部分情况下已经能替代全氟磺酸膜。但由于聚苯乙烯类PEM分子量较小，机械强度不足，一定程度上限制了其广泛应用。
3）无氟燃料电池质子交换膜
为了同时满足PEM在化学稳定性和机械强度双方面的要求，无氟PEM一般利用主链上包含苯环结构的芳香族聚合物进行制备。磺化芳香聚合物主要包括磺化聚芳醚酮、磺化聚硫醚砜、磺化聚醚醚酮、磺化二氮杂萘聚醚砜酮、磺化聚酰亚胺、磺化聚苯并咪唑等。这种方式制备
的PEM的吸水性和阻醇性明显高于Nafion膜。美国DAIS公司使用磺化嵌段型离子共聚物作为PEM原材料，研制出磺化苯乙烯-丁二烯/苯乙烯嵌段共聚物膜。将该PEM的磺化度控制在在50%～60%之间时，其电导率能达到Nafion膜的水平；当磺化度大于60%时，能同时获得较高的电化学性能与机械强度，实现二者的平衡；60℃下电池寿命达到2500h，室温寿命4 000h，有望在低温燃料电池中应用。
二、结语
新能源中使用最多的就是氢燃料汽车，而氢燃料汽车又不离不开燃料电池这一关键部件。我们详细论述了作为新能源汽车的关键部件----氢燃料电池的分类，并根据他们的各种分类，又详细介绍了其中的质子交换膜燃料电池的特点，从而为人们正确使用和客观认识这些新能源提供了一定的帮助。作为氢燃料电池，人们的应用还是比较少的，还有更加艰巨的研究任务等待着科研人员继续开发。
参考文献：
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[2]刘世闯等.大功率型氢燃料电池重卡动力系统匹配设计[J]，汽车工程，2021（02）：196-203
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[4]张鉴等.质子交换膜燃料电池建模综述[J]，电源技术，2019（06）：1051-1053
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[7]卢成壮等.熔融碳酸盐燃料电池阴极降解实验研究[J]，电源技术，2020（07）：970-971
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