２０１７．４Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．４
收稿日期：２０１７－０１－１５
作者简介：付甜甜（１９８９—），女，河北省人，学士，主要研究方向为电池情报。
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付甜甜
(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)
摘要：氢燃料电池是一种将燃料（和氧化剂）的化学能连续地转化为电能的装置。氢燃料电池以化学方式实现能量转换，不受热发动机卡诺循环的限制，具有较高的转换效率。氢燃料电池在全球大范围环保发展下已成为最清洁环保的电动汽车用电池。介绍了氢燃料电池的发展历程、工作原理、优缺点以及氢燃料电池电动汽车的应用实例，展望其发展前景。关键词：氢燃料电池；电动汽车；转换效率中图分类
号：ＴＭ９１１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－０８７Ｘ（２０１７）０４－０６５１－０３
Development of hydrogen fuel cell for electric vehicle
FU Tian-tian
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)
Abstract:Hydrogen fuel cell was a device that could convert the chemical energy of fuel and oxidant into electrical energy.The hydrogen fuel cell realized the energy conversion in a chemical way,which was not limited by the Kano cycle of the engine,and it had high conversion efficiency.Under the global environment,hydrogen fuel cell has become the most environmentally friendly battery for electric vehicles.The developing history,working principle,advantages and disadvantages of hydrogen fuel cell,the application and development prospect of hydrogen fuel cell for electric vehicle were introduced.Key words:hydrogen fuel cell;EV;conversion efficiency
随着全球工业化进程不断加快，化石燃料消耗量日益增加，对环境造成的污染越来越严重，迫切需要寻一种作为替代品的清洁燃料。氢的来源丰富，不仅可以由其他能源来生产氢能，而且氢能可以高效地转化为其他形式的能量。作为一种能源载体，氢在交通、工业和建筑等各个领域中都有重要的应用，并且使用氢能可以提高能源系统的灵活性。汽车是人们生活中的重要交通工具，用氢燃料电池作为汽车动力，可以达到零排放无污染，因此，使用燃料电池的汽车是名副其实的“绿燃料”汽车。
１电动汽车用氢燃料电池发展历程
燃料电池已有170多年的发展史，最早可以追溯到1838年。Willian Robert Grove(1811-1896)是公认的“燃料电池之父”，他在1843年发表了一个原理图并提出“气体电池”的原始模型，气体电池的工作原理为燃料电池的诞生奠定了理论基础。这是人类第一次进行燃料电池演示，而Grove 所使用的实验装置被后人称为燃料电池的第一个装置。
由于材料、资金、市场等限制，燃料电池的研究和开发多年来几经反复。直到20世纪60年代，宇宙飞行发展，才使燃料电池技术提到议事日程上来。随着能源匮乏和环境污染问题的突出，燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小
等优点而受到世界各国的普遍重视。进入20世纪70年代以后，人们不断地掌握多种先进的制氢技术，氢燃料电池很快被运用于发电和汽车。1968年，通用汽车公司生产出了世界上第一辆可使用的氢燃料
电池汽车，该燃料电池汽车以厢式货车为基础制造，装载了最大功率为150kW 的燃料电池组，续航里程为200km 。
到了20世纪90年代，作为解决环境污染和能源供需问题的重要途径之一，燃料电池电动汽车技术受到了空前重视，世界主要汽车厂商投入了大量的人力和物力研发燃料电池电动汽车。美国《时代》周刊在1995年将燃料电池电汽车列为二十一世纪十大高新技术之首[1]。
２氢燃料电池原理及结构
２．１氢燃料电池的原理
氢燃料电池是使用氢这种化学元素，制造储存能量的电池。氢燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反应，燃料电池的产物是电和水。具体反应过程为：电池阳极上的氢在催化剂作用下分解为质子和电子，带阳电荷的质子穿过隔膜到达阴极，带阴电荷的电子则在外部电路运行，从而产生电能；在阴极上的氧离子在催化剂作用下和电子、质子发生化合反应生成水[2]。电池组通过像这样大量串联的燃料电池，就可以产生足够的电能来驱动汽车。氢燃料电池原理如图1所示。
氢燃料电池与普通电池的区别主要在于：干电池、蓄电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，像发电厂一样，是把化
综述
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学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外，氢燃料电池的电极用特制的多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。
２．２氢燃料电池的基本结构
氢燃料电池的基本结构包括电极、电解质隔膜与集电器等。电极是燃料氧化和还原的电化学反应发生的场所，可分成阴极与阳极两部分。电解质隔膜的功能是分隔氧化剂与还原剂并同时传导离子。目前氢燃料电池所采用的电解质隔膜可以分为两类，一类为以绝缘材料制作多孔隔膜，例如石棉膜、碳化硅膜和铝酸锂膜等，再将电解液，例如氢氧化钾、磷酸和熔融碳酸盐等，浸入多孔隔膜：另一类电解质隔膜为固态离子交换膜，例如质子交换膜燃料电池中采用的全氟磺酸树脂膜。集电器也称为双极板，它只有收集电流、疏导反应气体及分隔氧化剂与还原剂的作用，双极板的性能取决于材料特性、流场设计与加工技术。
３电动汽车用氢燃料电池的特点
３．１氢燃料电池的优势
(1)能量转换效率高，绿环保：燃料电池通过电化学反应，而不是采用燃烧(汽、柴油)或储能(蓄电池)方式，燃料电池只会产生水和热，对环境无污染。如果氢是通过可再生能源产生的(光伏电池板、风能发电等)，整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程[3]。
(2)无振动、噪声低、寿命长：依据燃料电池的工作原理，只要燃料和催化剂从外部源源不断地供给，燃料电池即可不断地发出电能，其使用寿命远远高于普通的原电池或充电电池。由于没有往复及回转运动的机械部件，因此燃料电池运行时非常安静，噪声大约只有55dB ，相当于人们正常交谈的水平。另一方面，由于在整个工作过程中没有噪声和机械振动，从而减少了机械器件的磨损，一定程度上延长了其使用寿命。
(3)制氢原料多，能源补充快：燃料电池所使用的氢燃料来源广泛，自然界中的氢大量存储在水中，可采用水分解制氢；也可以从再生能源获得，可取天然气、甲醇、汽油、柴油以及再生能源等。燃料电池所需要的燃料主要是氢，充气或更换氢气瓶一般只需几分钟，相比纯电动汽车的蓄电池充电时间要短得多，且克服了纯电动汽车续航里程短的缺点。
３．２氢燃料电池发展局限
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(1)燃料种类单一，制氢、储氢技术复杂，价格昂贵：氢是燃料电池的唯一燃料，而氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整都比较复杂，成本高，对安全性要求也高，导致燃料电池的制造成本过高，电池价格昂贵。
(2)密封性要求严格：由于氢气是极小的分子，很容易造成泄露，一旦泄露将会造成不可估量的后果，因此需要极其严格的密封。这一严格要求使得燃料电池发动机的制造工艺很复杂，并给使用和维护带来很多困难。
(3)在电动汽车上使用时需要配备辅助电池系统：燃料电池可以持续发电，但不能充电和回收燃料电池电动汽车再生
制动的反馈能量。为此，通常在燃料电池汽车上还要增加辅助电池或超级电容器，来储存燃料电池富裕的电能，并且在燃料电池汽车减速时接受再生制动时产生的能量。
４氢燃料电池电动汽车应用实例
车用氢燃料电池所具有的效率高、启动快、环保性好、响应速度快等优点，使其当仁不让地成为21世纪汽车动力源的最佳选择之一，是取代汽车内燃机的理想解决方案，被认为是“汽车工业的未来”。
2001年通用汽车公司在法兰克福汽车展上展出了新型氢燃料电池车
“氢动3号”。“氢动3号”燃料电池驱动系统的工作原理是：由200块相互串联在一起的燃料电池块组成的电池组产生电力，通过68L 的氢气储存罐向燃料电池组提供氢气。电池组所产生的电能输入电动机后，通过功率为60kW/82马力的三相异步电机驱动车辆行驶，几乎不产生任何噪音。
“氢动3号”0~100km/h 的加速时间约为16s ，最大时速达到160km/h 。氢储存罐分为两种，一种罐内储存温度为－253℃的容量为68L 的液态氢，另一种罐内储存最高压力可达700×105Pa 的存量为416kg 的高压氢气，一次充气行驶里程分别可达400和270km 。
2005年上海车展通用Sequel 氢燃料电池车登场亮相，一直被认为是燃料电池车领域的经典之作。与之前的燃料电池车相比，通用Sequel 氢燃料电池车在可驾驶性方面取得了突破性的进步，其动力表现与驾驶性都堪与使用汽油的汽车产品媲美。Sequel 氢燃料电池车通过采用线传操控技术，不仅提高了车辆安全性、
简化了维护程序、拓展了设计自由度，而且也更环保。该车几乎所有的驱动和控制组件都安装在28cm 厚的底盘结构上，几乎每个方面的性能表现都比传统汽车更胜一筹——
—更迅速、更平稳、更便于操控、便于生产、更美观也更安全，最重要的是，它只排放水蒸气，完全没有污染。从起步加速到48km/h 仅用3s ，加速到96km/h 也只用不到10s 的时间，轮毂电机提供的总扭矩达到惊人的3398N
·m 。2015年丰田汽车公司在日本正式发布了其量产版氢燃料电池车Mirai ，中文意为“未来”，诠释出了丰田在做环保车型方面的展望。
丰田Mirai 的结构与传统的汽油车或者纯电动车都不一样，Mirai 的动力系统是其最大的看点。Mirai 的动力系统被称作“丰田燃料电池堆栈”(Toyota FC Stack ，TFSC)
，是以
图１
氢燃料电池原理
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燃料电池堆栈为核心组件的混合动力系统。TFSC 没有传统的汽油发动机，也没有变速器。发动机舱内部是电动机和电动机的控制单元。在驾驶舱底部布置的燃料电池堆栈是整套系统的核心。丰田全新
的燃料电池组最大输出功率为114kW ，输出比功率为3.1kW/L 。它的最大扭矩335N ·m ，10s 内可以完成百公里加速，完全能够应付日常行车需求。此外，燃料电池电解液中水的容量也会对发电效率产生重大影响，因此通过内部循环系统将发电过程产生的多余水分排出，保证了燃料电池组的高效运行，相比传统丰田燃料电池概念车，它还新增了加湿器的使用。
５电动汽车用氢燃料电池发展前景
氢燃料电池的研发以及商业化，是实现节能和环保的重
要手段。氢燃料电池的先进性和实用性已经得到公认，在加大对氢燃料电池的研发与利用方面尽管还存在一些问题，比如电极材料、制造成本、催化剂等问题，但是作为真正意义上零排放的清洁能源，氢燃料电池在全世界的应用正在提速。随着成本下降和氢能技术的全面发展，燃料电池商业化进程中的问题会逐步得到解决，燃料电池将会如计算机一样，在各个领域得到广泛应用。
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线，斜率K 正比于扩散系数D 0。
图4给出测试体系的K 与F-SiO 2浓度的关系，可见K 也先上升然后下降，在6%时出现了极大值，这个结果很好地对应了图2中氢离子的传导，再一次表明F-SiO 2凝胶的形成有助于离子的传输。
综合以上实验结果可见，当加入F-SiO 2后，无论形成凝胶与否，电池的内阻均降低。这个结论可以解释当前观察到的
凝胶电池具有良好的大电流放电的能力[9-10]。事实上，本文开头
列举的文献观点有的源于猜测，也有的仅从片面的实验观察
得出，例如文献[5]尽管初始得出凝胶电池内阻较大，但通过重新优化胶体配方和改善电池极板的制造工艺，作者发现新制备的胶体电池不但内阻小，而且大电流放电性能也好。
文献混乱的观点部分原因是由于阐述基础不同。如果从
电池角度，凝胶电池原本应配专用的PVC 隔板，那么它的内
阻较大。正如文献[11]所指出，这是由于隔板而不是凝胶造成。对采用AGM 替代PVC 作隔板的凝胶电池，应该看凝胶本身是否增加了电阻，这即是本文实验设计的出发点。
３结论
本文通过实验表明，F-SiO 2的添加和形成凝胶有利于其中
北京现代 悦动离子的传输，最大促进效应出现在5%~6%F-SiO 2时。F-SiO 2风神轮胎怎么样
对
硫酸的吸附量很小，对电池来说可以不考虑吸附的影响。这些结论基于实验明确给出，希望有助于理解凝胶电池的优良性能，促进开发F-SiO 2作为铅酸蓄电池胶凝剂。
致谢：感谢浙江超威电源有限公司对本课题的资金资助。丰田gt 86
参考文献：
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K
F-SiO ÁÂ
/%图４３５％硫酸溶液中斜率随Ｆ－ＳｉＯ２浓度变化
(上接第576页)
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