2我国氢燃料电池汽车的研究现状及需要解决的主要问题 2 我国氢燃料电池汽车的研究现状及需要解决的主要问题
2.1 氢燃料电池
目前已开发的燃料电池有碱性燃料电池（AFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、固体高分子型燃料电池（PEMFC—质子交换膜电池)、熔态碳酸盐燃料电池(MCFC)、固态氧化物燃料电池(SOFC)。其主要性能和特点见表l。
表1 汽车用燃料电池特点
类型 碱型
工作温度
电解质
导电离子
燃料气体 氢/氧 改质气体/空气
改质气体/空气
改质气体/空气
改质气体/空气
R．T．— 250 KOH
高分子膜
OH? H H?
2??固体高分子
R．T．—120
型 磷酸型
160—210
H3PO4
熔融碳酸型 600—700 固体氧化物
900—1000
型
L12CO3+K2CO4 CO2
ZrO2
O2?
对比上表中的各种汽车用燃料电池的特点，可看出碱性电池组成材料比较廉价，但是由于改质气体和空气中CO2产生的会引起电解质劣化，因此在短时间内必须定期更换电解液；磷酸型可以在200℃以上高温条件下使用，减小了改质气体中的CO对电极催化剂中毒的影响，缺点是车辆反复起动、停止及轻负荷运行时工作不良；固体氧化物型能在1000℃的高温下运行，可以直接使用含硫汽油燃料，但在车辆起动和负荷变化过程中会引起“热震性”；固体高分子型（质子交换膜燃料电池）在常温状态下运行，起动、停止容易，而且功率密度高、重量轻、体积小，电解质能产生高分子膜，耐反应气体压差，工作中的电解质不易流出，为免维护电池，是最适合作为氢燃料电池汽车使用。
氢燃料电池本质是水电解的“逆”装置，主要由3部分组成，即阳极、阴极、电解质，其阳极为氢电极，阴极为氧电极。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂，用来加速电极上发生的电化学反应。两极之间是电解质，其电解质有酸性和碱性两种。电解液为酸性时，阳极的氢分解为氢离子和电子，氢离子在电场作用下通过电解质到达阴极，氧气接受电子形成氧离子然后与氢离子发生化学反应，形成燃料电池的排放物—水；电解质为碱性时，
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北华大学本科毕业论文 反应路线相反，燃料与氧化物的反应在阳极。
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。
20世纪60年代，氢燃料电池就已经成功地应用于航天领域。进入70年代以后，随着人们不断地掌握多种先进的制氢技术，氢燃料电池就被运用于发电和汽车。
使用氢燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60%～80%，而且污染少、噪音小，装置可大可小，非常灵活。
由于我国氢燃料电池还没有商业化，技术上还有很多问题待解决，现在提到的用于氢燃料电池汽车上的多数是指质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，英文简称PEMFC)是一种燃料电池，在原理上相当于水电解的“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，质子交换膜作为电解质。工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。
由于质子交换膜只能传导质子，因此氢质子可直接穿过质子交换膜到达阴极，而电子只能通过外电路才能到达阴极。当电子通过外电路流向阴极时就产生了直流电。以阳极为参考时，阴极电位为1.23V，也即每一单电池的发电电压理论上限为1.23V。接有负载时输出电压取决于输出电流密度，通常在0.5～1V之间。将多个单电池层叠组合就能构成输出电压满足实际负载需要的燃料电池堆（简称电堆）。电堆由多个单体电池以串联方式层叠组合而成。将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢，即构成质子交换膜燃料电池电堆。
通常，质子交换膜燃料电池的运行需要一系列辅助设备与之共同构成发电系统。质子交换膜燃料电池发电系统由电堆、氢氧供应系统、水热管理系统、电能变换系统和控制系统等构成。电堆是发电系统的核心。发电系统运行时，反应气体氢气和氧气分别通过调压阀、加湿器(加湿、升温)后进入电堆，发生反应产生直流电，经稳压、变换后供给负载。电堆工作时，氢气和氧气反应产生的水由阴极过量的氧气(空气)流带出。未反应的(过量的)氢气和氧气流出电堆后，经汽水分离器除水，可经过循环泵重新进入电堆循环使用，在开放空间也可以直接排放到空气中。
质子交换膜燃料电池发电作为新一代发电技术，其广阔的应用前景可与计算机技术相媲
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2我国氢燃料电池汽车的研究现状及需要解决的主要问题 美。经过多年的基础研究与应用开发，质子交换膜燃料电池用作汽车动力的研究已取得实质性进展，微型质子交换膜燃料电池便携电源和小型质子交换膜燃料电池移动电源已达到产品化程度，中、大功率质子交换膜燃料电池发电系统的研究也取得了一定成果。由于质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，所以被公认为氢燃料电池汽车的首选能源。
2.2 我国氢燃料电池汽车的研究现状
能源是支撑社会经济发展的物质基础。目前人类处于以石油、煤炭、天然气等化石燃料为主的“碳氢经济” 时代，经济的运行和增长与这些能源发生着直接和间接的关系。然而，化石能源是一种有限的、不可再生的资源。对化石能源的过度依赖和使用，使人类社会面临化石能源枯竭的巨大挑战。同时，化石燃料的使用带来严重的环境污染，导致了温室效应的产生和酸雨的形成，严重威胁着人类的健康和生存。因此，开发和利用来源广泛且清洁、高效的新能源已刻不容缓。氢以其清洁无污染、高效、可储存和运输，以及来源广泛等优点，被视为最理想的能源载体。从经济性、技术性、机动性及环境方面等综合因素考虑，氢能是未来最有可能替代化石燃料的动力燃料。氢能和可再生能源结合在一起，将形成一个完全可再生的完整的能源系统，基于这个能源系统上的经济活动就是“氢经济”。
交通运输业是经济和社会发展的基础性产业，同时也是能源消耗和污染排放的“大 户”。面对严峻的能源和环境挑战，交通动力能源转型已成为全球共识。国内外专家普遍认为：2020年起，以多种能源为基础的氢燃料将逐步上升为主导型燃料。与此相对应，汽车动力将逐步由内燃机动力、混合动力转变为氢能燃料电池动力。
节能与新能源汽车发展的路线问题一直受到业内广泛关注，也有很多不同意见。陈一文先生了发表题为《“氢能源”、“氢经济”将造成最为严重的大气“氧气枯竭”过程》一文，语出惊人。他对“氢经济”提出质疑。“这个问题的核心是∶传统矿物燃料的过量燃烧造成的全球“温室效应”与“氧气枯竭”中哪个造成对人类基本生存环境的首位最大恶果，是“全球温室效应”及其导致的全球气候异常，还是世界绝大多数科学界人士、政府官员、企业界人士、气象学家和环保人士未能认识或正视的大气“氧气枯竭”问题！”由26位专家联名“上书”的《开发车用动力技术、尽快减轻交通能源压力的建议》（下称《建议》），提出了慎重发展氢燃料汽车的意见，将争论推向高潮。《建议》质疑中国的氢能源技术研究，认为中国汽车工业要发展应当努力提升传统的内燃机技术，而不应将宝押在技术难度大、前景亦不明朗的氢燃料电池汽车身上。《建议》中提出的质疑被“十一五”863计划“节能与新能源汽车项目”总体专家组成员、氢能源汽车技术的重要研发基地之一同济大学汽车学院的
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北华大学本科毕业论文 院长余卓平教授做了一一回应。
质疑一：国家投入大量资金用与氢能源建设。回应：国家投入在氢能源技术开发中的资金不是太多而是太少。余卓平说，“十一五”863计划“节能与新能源汽车项目”中，中央政府投入约为11亿元，而且这里面也只有一部分用于氢燃料电池汽车的研发，这与通用汽车在氢能源技术研发一投就是上百亿的资金相比，其实是微不足道的。而对于内燃机技术的改进，国家也有相应的拨款；同时应该指出的是，由于目前汽车发动机还是主要依靠燃油技术，一汽、上汽、东风、奇瑞、华晨、长安、吉利等各大企业每年投入在内燃机技术上的资金都超过十个亿——这几百亿的数字（其中绝大部分是国有企业的投资）已经远远超过投在氢能源技术的资金。因此，不论与外国公司、还是与内燃机技术的投资相比，国家用于氢能源技术开发中的资金不是太多而是太少了。
质疑二：氢能源技术难度大、发展前景不明朗。回应：氢燃料电池汽车是全球认同的最终发展方向。面对世界石油枯竭的危机，各国在寻找替代性能源的道路上都有不同的侧重，但各跨国集团都将最终的方向集中在氢燃料电池汽车上，这是一个不争的事实。目前，轨道交通已经很好地实现了电力化驱动，公路车辆的发展也在逐步展现曙光：同济大学联合上汽开发的三代“超越”系列燃料电池车得到了许多国际赛事的认可，而且还将此动力系统搭载在“荣威”轿车上诞生了“上海牌”氢燃料电池汽车，而第四代燃料电池轿车也将在奥运会上亮相。而这一切的实现仅仅用了七年的时间，足见氢能源技术的突破可谓神速。至于26位专家提到的“氢能源技术能否最终实现还要经过50年甚至100年的时间，余卓平称：50年的预计已经是2001年我们最初研究氢能源技术的估计了，现在全球统一的认识是在2015年到2020年左右实现氢燃料电池的商业化。当然，商业化并不代表大规模产业化的实现，就像混合动力车经过十年的商业化发展也不过只有100万辆，远远没有取代传统的内燃机车，所以，氢燃料电池汽车成为主流的道路也会需要很长的时间。
质疑三：国家押宝氢能源技术将对民族汽车工业造成巨大伤害。回应：发展氢能源技术将是中国跻身汽车强国的最优策略。由于对氢燃料电池汽车前景的忧虑，26位专家认为国家投入大量财力、人力、物力在氢能源研发上，将对本就落后和薄弱的中国汽车工业造成巨大伤害。对此，余卓平教授指出：国家并没有将汽车工业押宝在氢能源上，也同时非常重视内燃机技术在节能减耗方面的发展，只不过在发展趋势上更看好氢燃料电池汽车。
到底是集中力量瞄准一条主要路线走下去，还是兼顾多条路线共同发展？是将重点放在眼前容易实现的技术提升，还是加大力量着手于未来前沿技术的突破？尽管关于节能与新能源汽车发展的争论一直在继续，国内相关企业和研究机构却从来没有停止节能与新能源汽车的研发工作。多数专家认为，以石油为原料的燃料是迄今为止最理想的车用燃料，并且在相
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