电动车辆相关技术问题系统详解

从本质上说是一种电化学装置，其基本组成与一般电池相同。

为实现较大功率的输出，燃料电池通常由若干“单体电池”组成。与普通电池类似，单体燃料电池是由正负两个电极(负极即燃料电极，正极即氧化剂电极)以及电解质组成。

不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续地发电。

这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理。

氢-氧燃料电池原理图

这个反映是电觧水的逆过程。电极应为：

负极： H2 + 2OH- →2H2O + 2e-

正极： 1/2O2 + H2O + 2e- →2OH-

电池反应：H2 + 1/2O2==H2O

另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。

燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。

在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H+）相关，发生的反应为：

燃料极：H2 =2H+ + 2e- （1）

空气极：2H+ + 1/2O2 +2e-= H2O （2）

全体：H2+1/2O2 = H2O （3）

氢氧燃料电池组成和反应循环图

在燃料极中，供给的燃料气体中的H2 分解成H+ 和e- ，H+ 移动到电解质中与空气极侧供给的O2发生反应。e- 经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了e- 不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由H2 和O2 生成的H2O ，除此以外没有其他的反应，H2 所具有的化学能转变成了电能。但实际上，参与电化学反应的电极存在一定的电阻，电流通过时会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。

表1 燃料电池的分类

（2）燃料电池电动车的系统组成

组成燃料电池电动车的动力系统有三个关键零组件，即

①重组器（reformer）：将甲醇、汽油等液体燃料重组为富氢气（hydrogen-rich）气体燃料，提供予燃料电池反应。

②燃料电池（fuel cell stack）：燃料电池是燃料电池电动车的动力源，其提供氢气与空气中的氧气反应并产生电流与电压，同时产生废热（水）等副产物。

③电力转换器（inverter／converter）：将燃料电池产生的电力转换为直流电或交流电，或具备升压或降压以调整电力输出。

3.技术特色及发展现状

燃料电池被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。

根据工作温度的不同，把碱性燃料电池（AFC，工作温度为100℃）、固体高分子型质子膜燃料电池（PEMFC，也称为质子膜燃料电池，工作温度为100℃以内）和磷酸型燃料电池（PAFC，工作温度为200℃）称为低温燃料电池；把熔融碳酸盐型料电池（MCFC，工作温度为650℃）和固体氧化型燃料电池（SOFC，工作温度为1000℃）称为高温燃料电池，并且高温燃料电池又被称为面向高质量排气而进行联合开发的燃料电池。

燃料电池最大的优点在于能量转换次数少，燃料利用率高。

传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%要消耗在锅炉和汽轮发电机这些庞大的设备上，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，不需要进行燃烧，没有转动部件，理论上能量转换率为100%，装置无论大小实际发电效率可达40%～60%，可以实现直接进入企业、饭店、宾馆、家庭实现热电联产联用，没有输电输热损失，综合能源效率可达80%，装置为集木式结构，容量可小到只为手机供电、大到和目前的火力发电厂相比，非常灵活。

此外，燃料电池还具有以下优点：

（1）部分负荷时也能保持高的效率；

（2）通过与燃料供给装置的组合，可适用较大范围的不同燃料；

（3）输出功率可按“积木式”灵活调节；

（4）电池本体的负荷响应性好；

（5）NOX及SOX等的排出量少，有利环保。

近20多年来，燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。AFC已在宇航领域广泛应用，PEMFC已广泛作为交通动力和小型电源装置来应用，PAFC作为中型电源应用进入了商业化阶段，MCFC也已完成工业试验阶段，