基于燃料电池发展现状的分析

基于燃料电池发展现状的分析

周清华

重庆市机械高级技工学校（重庆机械技师学院）

摘要：如今人类对汽车的需求越来越大，节能和环保两大主题的出现对传统汽车冲击很大，各国对清洁无污染的能源技术非常重视。其中燃料电池是一种高效清洁的电化学发电装置，已成功应用在汽车领域。本文对燃料电池的组成、类型以及发展现状进行了简单地分析，供大家参考。

关键词：燃料电池；发展；现状；分析

采用燃料电池作为电源的电动汽车称为燃料电范电动汽车(FCEV)，也叫燃料电池汽车。燃料电池发电是在一定条件下使H2、天然气和煤气与氧化剂（空气中的O2）发生化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池的不同之处在于：只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环（由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程）的限制，能量转换效率高。

一、燃料电池的组成及功用

燃料电池汽车与普通燃油汽车的区别在于动力系统。燃料电池汽车的动力系统主要由电要系统、燃料电池组、动力控制单元、燃料箱、蓄电池（储能装置）、功率转换器以及燃料加入口等组成。

燃料电池发动机是FCEV主要的电源，通常由多个单体燃料电池组成。单体电池的电压一短在1V以下，需要串联多个单体燃料电池才能提高输出电压。一般用燃料电池管理系统模块对电池状态进行监控、检查和电源的管理。燃料电池组要向空调系统和电动油泵转向系统缇供电能。燃料电池的电流需要经过专用的大功率动力DC/DC转换器，将燃料电池的直流电转换为稳压的直流电流，再经过逆变器转换为交流电输送给驱动电动机。一般来说，FCEV上还要装配蓄电池组作为辅助电源，其功用是：①用于FCEV快速起动：②为控制系统，仪表板、车载电子、照明系统、信号系统、电气设备等提供低压电源；②用于储存FCV再生制动时反应的电能。该蓄电池也可以用其他储能装置来代替。动力控制单元按照驾驶员的指令决定动力系统应提供的动力大小，或者进行回收减速以及制动过程的能量。燃料电池组提供能量给电驱动装置使汽车行驶，或者为了加速和大负荷之用而向蓄电池充电。当汽车行驶所需的动力超过燃料电池的发电能力时，蓄电池也进行工作，其电流经DCC转换器进人电驱动装置来驱动汽车行驶。

二、燃料电池类型

（1）按电解质分类

目前最常用的分类方法是按燃料电池所采用的电解质的类型分类。根据燃料电池中使用电解质种类的不同，通常可分为以下五类。

①质子交换膜燃料电池(PEMFC)：通常以全氟或部分氟化的磺酸型质子交换膜为电解质。②碱性燃料电池(AFC)：一般以碱性的氢氧化钾溶液为电解质。③磷酸燃料电池(PAFC)：以浓磷酸为电解质。④熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)：以熔融的锂-钾或锂-钠碳酸盐为电解质。⑤固体氧化物燃料电池(SOFC)：以氧离子导体固体氧化物为电解质。

（2）按工作温度分类

根据工作温度的不同，燃料电池可分为以下四类。

①低温燃料电池：工作温度范围一般是25-100℃，如固体聚合物电解质燃料电池。②中温燃料电池：工作温度范围一般是100-500℃，如磷酸型燃料电池。③高温型燃料电池：工作温度范围一般是500-1000℃，这种类型的电池包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池。④超高温型燃料电池：工作温度范围一般是高于1000℃。

（3）按燃料的来源分类

根据燃料电池使用燃料的来源不同，可分为以下三类。

①直接型燃料电池：是指燃料不经过转化步骤直接参加燃料电池的电极反应，比如氢氧燃料电池，燃料直接使用氢气。②间接型燃料电池：是指燃料不直接参加电化学反应，而是要通过重整等方法将燃料转化后再供给燃料电池发电，比如将甲醇重整后富氢的混合气作为燃料电池的燃料，即其燃料不是直接使用氢气，而是通过某种方法把甲烷、甲醇或其他烃类化合物转变成氢或含富氢的混合气后再供给燃料电池。③再生型燃料电池：是指将燃料电池反应生成的水经过某种方式（如热和光等）分解成氢和氧，再将氢和氧重新输送给燃料电池进行发电。

（4）按燃料状态分类

根据燃料电池的燃料状态不同，可分为以下两类。

①液体型燃料电池。②气体型燃料电池。

此外，根据燃料电池使用燃料的种类，可分为氢燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池等；根据燃料电池运行机理的不同，可分为酸性燃料电池和碱性燃料电池。

三、燃料电池的发展现状

料电池是当前片升发的电池中最有发展前途的高能电池，以满足不同车辆对然料电池功率等级的要求，为有效提高燃料电池的寿命，需优化蓄电池和燃料电池的能量分配。我国基本建立了燃料电池汽车的研发体系；研发的样车与国外相比，主要技术指标水平当；样车已进行了示范运行。但还存在一些问题，如燃料电池电堆和发动机系统在核心技术上技术水平与国外存在较大差距，技术研发进展较为缓慢；我国燃料电池汽车技术示参考运行规模较小，储氢和氢能源基础设施等问题尚未解决。我国燃料电池汽车产品的可靠性和成本离实用型还有相当大的差距。

氢气是21世纪的主要燃料，当前氢气的制取还比较困难，价格也比较贵，但大规模的以电能和太阳能制造氢气的工厂，将来会得到普及。燃料电池辅助系统正在加速小型化，使燃料电池在电动汽车上的实用化更加接近现实。目前，用甲醇、汽油等通过重整快速转化为氢，是一种成熟的技术，使得氢气的生产成本降低，而更具有竞争力。在燃料电池的催化剂、质子交换莫，燃料电池组、电极的密封性、可靠性和燃料电池组的管理系统等方面也开展了全方位的技关，新兴的专业工厂也正在兴起，形成新能源的技术产业。当前世界汽车公司的奋斗目标是将燃料电池的价格大幅度地降低，以实现新型燃料电池电动汽车的商品化。

四、小结

燃料电池具有发电效率高、噪音低、能量转换率高、燃料多样性、负荷响应快、氧化氮和氧化硫等排出量少、环境相容性优、燃料范围广、可靠性高等优点。随着国家政策的大力扶持和国家对环境保护的各项要求，这将推进我国燃料电池技术的不断突破，推动中国燃料电池行业不断向前发展。

参考文献

[1]臧杰.新能源汽车.机械工业出版社,2013（2017.1重印）

[2]中国商业研究院.2019年燃料电池市场前景研究报告[J].电器工业,2019（4）:23-31.

[3]陈瞳,周宇昊,张海珍等.氢燃料电池发展现状和趋势[J].节能,2019（6）:158-160.

[4]赵佳骏,王培红.主流燃料电池技术发展现状与趋势[J].上海节能,2015（4）:199-203.