燃料电池在摩托车领域的应用前景

胡　瑞　张殿昌　赵　颖（天津内燃机研究所　天津　300072）

·综述·

燃料电池在摩托车领域的应用前景

胡瑞张殿昌赵颖
（天津内燃机研究所天津300072）

近些年来，由于摩托车等机动车尾气排放带来的污染导致全球各地自然环境不断恶化。全球变暖，严重雾霾天气不断出现，给我们的生活、生产带来了诸多不便和弊端。全球各个国家都在积极开展新能源的探索和研发，以期解决问题。质子交换膜燃料电池作为一种新能源具有一些优势，着重介绍其特点和原理。

新能源燃料电池特点和原理应用前景

引言

质子交换膜燃料电池 （Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一种将储存在燃料与氧化剂中的化学能直接转变成电能的化学单元。虽然也称之为电池，但这种燃料电池无论原理、结构还是管理方式都与我们熟知的干电池、充电电池等常规电池有着本质的不同。它具有非常复杂的系统，且其活性物质是独立于燃料电池本身而存在的，只要提供燃料和氧化剂，就可以像传统的柴油机、汽油机一样连续不断地工作，与普通热机存在一定的类似性。

然而质子交换膜燃料电池与普通意义上的热机有着本质上的区别。汽油机、柴油机的能量转化过程是化学能→热能→机械能，其中关键之处为化学燃烧反应放热，导致气体膨胀做功，从而来驱动机械部件运动。此过程受卡诺循环的限制（对于汽车来说上限大约为40%），因此无法大幅度提高系统效率。但是这种燃料电池的能量转化过程为化学能→电能-机械能，能量传输过程中，绕开了燃烧放热过程，从而摆脱了经典热机理论——卡诺循环的限制，其理论效率可以超过80%。能量利用率之高，是普通热机难以企及的，这使得燃料电池在能源问题日益紧张的今天，受到前所未有的关注，成为可搭载于摩托车等交通运输工具的新型动力源的重要选择之一。

1　质子交换膜燃料电池的特点

质子交换膜燃料电池的工作过程相当于水解的逆过程。单电池由阳极、阴极以及质子交换膜组成。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，提供这种电化学反应所需的环境。

质子交换膜燃料电池具有如下特点[1]：

1）有害气体氮氧化物、硫氧化物及噪音排放都很低。二氧化碳因能量转换效率高而大幅度降低，而且无机械振动。

2）能量转化率高，质子交换膜在能量转化过程中，不经过燃烧过程，因此不受卡诺循环的限制。理论上讲，其效率可高达80%以上。

3）体积小，质量轻，储能密度高，比功率高。

除此之外，还具有负荷响应快，运行质量高，工作温度低，制造和维护方便等特点。PEMFC发展至今，与其他燃料电池相比，是目前6种燃料电池中应用领域最广的一种（如表1所示），它可以应用于几瓦到几十瓦的手机、计算机、便携式电源、几千瓦的船舶及家用系统、数十瓦的电动车、数百千瓦的公共汽车和工业上的热电联供系统。它是21世纪的众多清洁代替能源之一，在国防和民用的电力、汽车、交通运输等多领域有重要的应用[2]。

表1　燃料电池优缺点

2　质子交换膜燃料电池的工作原理

PEMFC属于低温燃料电池，工作温度一般在60～80℃。工作原理为：H2和O2通过双极板上的导气通道分别到达电池的阳极和阴极，之后通过电极上的扩散层、催化层到达质子交换膜，在膜的阳极一侧，氢气在阳极催化剂的作用下解离为H+和e-，H+以水合质子H+（x H2O）的形式，在质子交换膜中转移，最后到达阴极，实现了质子导电。H+的这种转移导致了阳极出现带负电的电子积累，从而变成了一个带负电的端子（负极）。与此同时，阴极的O2在催化剂作用下与阳极过来的H+结合，使得阴极变成了带正电的端子（正极），其结果就是在阳极的带负电终端和阴极的带正电终端之间产生了一个电压。如果此时通过外电路将两极相连，电子就会通过回路从阳极流向阴极，从而产生电流。如图1所示。描述了质子交换膜燃料电池的工作原理。氢的氧化和氧的还原分别发生在阳极和阴极上[3]。

H2⇒2H++2e（在交换膜的阳极上）

O2+4H++4e+⇒2H2O（在交换膜的阴极上）

图1　质子交换膜燃料电池工作原理

3　质子交换膜燃料电池特性

3.1温度特性[2]

PEMFC的工作温度范围主要取决于质子交换膜。目前广泛采用的是Nafion系列膜，其耐受温度为130℃，由于Nafion系列膜必须有水存在的条件下才能发挥传导质子的作用，因此，目前PEMFC的工作温度一般不会超过82℃，这也影响了PEMFC性能的进一步提高。为了提高PEMFC性能，扩大其应用范围，很多研究机构正在研究开发耐高温质子交换膜，希望通过提高工作温度增强催化剂抗CO中毒的能力，同时提高PEMFC的电性能。

从氢氧电化学反应热力学可以了解到，升高操作温度会导致电池中可逆电池的可逆电动势下降，但从电化学动力学分析，升高电池操作温度却加快反应速度，降低电化学极化。而且在膜含水量充足的条件下，PEMFC操作温度的升高还能增加膜的电导率，减小电池的欧姆极化。另外，升高操作温度也有利于加快反应气体向催化层活化中心扩散，降低浓度极化。在实际操作中，对于低温PEMFC，动力学因素起主导作用，可见，提高操作温度可以提高电池性能[4，5]。

3.2压力特性

提高氢氧气体的工作压力无论是从热力学还是从电化学动力学角度都能有效提高电池性能。在一定的条件下，选取较高的压力有利于提高PEMFC单位面积功率。但是，当压力增加后，电堆密度难度、额外的压缩功耗以及管路系统的管理难度都会增加。目前，PEMFC的工作压力一般都在几个大气压之内。目前在汽车应用的热电联供系统中，一般采用常压氢空系统来降低配套附属设备的难度。

3.3CO影响

目前实际应用的大中型PEMFC电堆所采用的氢气多是以天然气、甲醇等碳氢化合物重整制氢方式得到的。重整气大多含有一定比例的CO，而CO极易吸附在Pt的活性位置，且不易脱附，引起催化剂中毒，从而导致PEMFC性能大幅度下降。目前，已经研究过的解决CO中毒的方法主要是阳极诸如氧化剂、重整气预净化除CO和采用抗CO电催化剂三种方法。其中，开发抗CO电催化剂是最好的办法，近年来，大量研究工作集中在研究二元或多元抗CO电催化剂上，并已取得商业化运用，例如PtRu/C催化剂。

3.4电池寿命

寿命是PEMFC的一项重要指标，影响着它的基本因素，包括电催化剂的团聚和流失，质子交换膜的降解，污染以及碳载体、扩散层的腐蚀老化等。要提高PEMFC的寿命，重点在于解决这些关键材料在电池运行条件下的稳定性和耐久性。另外，实际操作过程中，PEMFC电堆也可能因为组装、操作不当等外部因素使其没有达到寿命就失效了。因此在这些方面也要多加注意。

4　结论

环境污染日益严重，摩托车新的排放控制法规实施在即，摩托车厂家在着眼于改进排放控制技术路线的同时，也在积极寻找包括电动摩托车在内的各种替代能源与新技术，在众多可代替石油的新型能源中PEMFC具有体积小、质量轻、储能密度高的特点，非常适合用于摩托车等小型移动车辆上，PEMFC为广大摩托车厂商提供了一种可以探索和实践的可能性。

客观地讲，PEMFC虽然有很多优点，人们对其将来成为新的能源转换方式也感到欢欣鼓舞，但是就目前来看，它的发展仍然存在很多瓶颈，例如水热管理的难以控制，氢燃料的不易获取及不易储存等，导致其无法进行大规模的商业应用。这需要包括摩托车厂商在内的很多企业和机构，继续探索和完善PEMFC技术，以期最终可以实际运用，可搭载在摩托车等交通运输工具上，来缓解环境污染的世界性问题。

1（日）燃料电池开发信息中心.图说燃料电池原理与应用[M].白彦华,杨晓辉译.北京：科学出版社，2003

2朱新坚.中国燃料电池技术现状与展望[J].电池，2004（3）：202～203

3（美）詹姆斯·拉米尼，安德鲁·迪克斯.燃料电池系统原理·设计·应用[M].朱红译.北京：科学出版社，2006

4（英）麦克杜格尔.燃料电池[M].江船译.北京：国防工业出版社，1983

5（日）电气学会·燃料电池发电21世纪系统技术调查专门委员会.燃料电池技术[M].谢晓峰，范星河译.北京：化学工业出版社，2000

The App lication Prospectof FuelCell in the Field ofM otorcycle

Hu Rui，Zhang Dianchang，Zhao ying
Tianjin Intemal Combustion Engime Research Institute（Tianjin，300072，China）

In recentyears，the pollution which isproduced bymotorcycle,etc,causes the environmentall over the world to become steadily worse.With global warming and bad haze appearing continuously，it causes our life somuch inconvenience and disadvantage.A lotof countries launch the developmentof new energy exploration and research，in order to solve the problem.As a new energy,the proton exchange membrane fuel cellhassomeadvantages，Thispaperwill introduce the characteristicsand principles.

New Energy，FuelCell，Characteristic and Principle，Application Prospect

U463

A

2095-8234（2015）01-0084-03

胡瑞（1987-），男，助理工程师，主要研究方向为摩托车检测技术。

（2014-11-14）