燃料電池在摩托車領域的應用前景

胡　瑞　張殿昌　趙　穎（天津內燃機研究所　天津　300072）

·綜述·

燃料電池在摩托車領域的應用前景

胡瑞張殿昌趙穎
（天津內燃機研究所天津300072）

近些年來，由于摩托車等機動車尾氣排放帶來的污染導致全球各地自然環(huán)境不斷惡化。全球變暖，嚴重霧霾天氣不斷出現(xiàn)，給我們的生活、生產帶來了諸多不便和弊端。全球各個國家都在積極開展新能源的探索和研發(fā)，以期解決問題。質子交換膜燃料電池作為一種新能源具有一些優(yōu)勢，著重介紹其特點和原理。

新能源燃料電池特點和原理應用前景

引言

質子交換膜燃料電池 （Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一種將儲存在燃料與氧化劑中的化學能直接轉變成電能的化學單元。雖然也稱之為電池，但這種燃料電池無論原理、結構還是管理方式都與我們熟知的干電池、充電電池等常規(guī)電池有著本質的不同。它具有非常復雜的系統(tǒng)，且其活性物質是獨立于燃料電池本身而存在的，只要提供燃料和氧化劑，就可以像傳統(tǒng)的柴油機、汽油機一樣連續(xù)不斷地工作，與普通熱機存在一定的類似性。

然而質子交換膜燃料電池與普通意義上的熱機有著本質上的區(qū)別。汽油機、柴油機的能量轉化過程是化學能→熱能→機械能，其中關鍵之處為化學燃燒反應放熱，導致氣體膨脹做功，從而來驅動機械部件運動。此過程受卡諾循環(huán)的限制（對于汽車來說上限大約為40%），因此無法大幅度提高系統(tǒng)效率。但是這種燃料電池的能量轉化過程為化學能→電能-機械能，能量傳輸過程中，繞開了燃燒放熱過程，從而擺脫了經典熱機理論——卡諾循環(huán)的限制，其理論效率可以超過80%。能量利用率之高，是普通熱機難以企及的，這使得燃料電池在能源問題日益緊張的今天，受到前所未有的關注，成為可搭載于摩托車等交通運輸工具的新型動力源的重要選擇之一。

1　質子交換膜燃料電池的特點

質子交換膜燃料電池的工作過程相當于水解的逆過程。單電池由陽極、陰極以及質子交換膜組成。陽極為氫燃料發(fā)生氧化的場所，陰極為氧化劑還原的場所，兩極都含有加速電極電化學反應的催化劑，質子交換膜作為電解質，提供這種電化學反應所需的環(huán)境。

質子交換膜燃料電池具有如下特點[1]：

1）有害氣體氮氧化物、硫氧化物及噪音排放都很低。二氧化碳因能量轉換效率高而大幅度降低，而且無機械振動。

2）能量轉化率高，質子交換膜在能量轉化過程中，不經過燃燒過程，因此不受卡諾循環(huán)的限制。理論上講，其效率可高達80%以上。

3）體積小，質量輕，儲能密度高，比功率高。

除此之外，還具有負荷響應快，運行質量高，工作溫度低，制造和維護方便等特點。PEMFC發(fā)展至今，與其他燃料電池相比，是目前6種燃料電池中應用領域最廣的一種（如表1所示），它可以應用于幾瓦到幾十瓦的手機、計算機、便攜式電源、幾千瓦的船舶及家用系統(tǒng)、數(shù)十瓦的電動車、數(shù)百千瓦的公共汽車和工業(yè)上的熱電聯(lián)供系統(tǒng)。它是21世紀的眾多清潔代替能源之一，在國防和民用的電力、汽車、交通運輸?shù)榷囝I域有重要的應用[2]。

表1　燃料電池優(yōu)缺點

2　質子交換膜燃料電池的工作原理

PEMFC屬于低溫燃料電池，工作溫度一般在60～80℃。工作原理為：H2和O2通過雙極板上的導氣通道分別到達電池的陽極和陰極，之后通過電極上的擴散層、催化層到達質子交換膜，在膜的陽極一側，氫氣在陽極催化劑的作用下解離為H+和e-，H+以水合質子H+（x H2O）的形式，在質子交換膜中轉移，最后到達陰極，實現(xiàn)了質子導電。H+的這種轉移導致了陽極出現(xiàn)帶負電的電子積累，從而變成了一個帶負電的端子（負極）。與此同時，陰極的O2在催化劑作用下與陽極過來的H+結合，使得陰極變成了帶正電的端子（正極），其結果就是在陽極的帶負電終端和陰極的帶正電終端之間產生了一個電壓。如果此時通過外電路將兩極相連，電子就會通過回路從陽極流向陰極，從而產生電流。如圖1所示。描述了質子交換膜燃料電池的工作原理。氫的氧化和氧的還原分別發(fā)生在陽極和陰極上[3]。

H2?2H++2e（在交換膜的陽極上）

O2+4H++4e+?2H2O（在交換膜的陰極上）

圖1　質子交換膜燃料電池工作原理

3　質子交換膜燃料電池特性

3.1溫度特性[2]

PEMFC的工作溫度范圍主要取決于質子交換膜。目前廣泛采用的是Nafion系列膜，其耐受溫度為130℃，由于Nafion系列膜必須有水存在的條件下才能發(fā)揮傳導質子的作用，因此，目前PEMFC的工作溫度一般不會超過82℃，這也影響了PEMFC性能的進一步提高。為了提高PEMFC性能，擴大其應用范圍，很多研究機構正在研究開發(fā)耐高溫質子交換膜，希望通過提高工作溫度增強催化劑抗CO中毒的能力，同時提高PEMFC的電性能。

從氫氧電化學反應熱力學可以了解到，升高操作溫度會導致電池中可逆電池的可逆電動勢下降，但從電化學動力學分析，升高電池操作溫度卻加快反應速度，降低電化學極化。而且在膜含水量充足的條件下，PEMFC操作溫度的升高還能增加膜的電導率，減小電池的歐姆極化。另外，升高操作溫度也有利于加快反應氣體向催化層活化中心擴散，降低濃度極化。在實際操作中，對于低溫PEMFC，動力學因素起主導作用，可見，提高操作溫度可以提高電池性能[4，5]。

3.2壓力特性

提高氫氧氣體的工作壓力無論是從熱力學還是從電化學動力學角度都能有效提高電池性能。在一定的條件下，選取較高的壓力有利于提高PEMFC單位面積功率。但是，當壓力增加后，電堆密度難度、額外的壓縮功耗以及管路系統(tǒng)的管理難度都會增加。目前，PEMFC的工作壓力一般都在幾個大氣壓之內。目前在汽車應用的熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，一般采用常壓氫空系統(tǒng)來降低配套附屬設備的難度。

3.3CO影響

目前實際應用的大中型PEMFC電堆所采用的氫氣多是以天然氣、甲醇等碳氫化合物重整制氫方式得到的。重整氣大多含有一定比例的CO，而CO極易吸附在Pt的活性位置，且不易脫附，引起催化劑中毒，從而導致PEMFC性能大幅度下降。目前，已經研究過的解決CO中毒的方法主要是陽極諸如氧化劑、重整氣預凈化除CO和采用抗CO電催化劑三種方法。其中，開發(fā)抗CO電催化劑是最好的辦法，近年來，大量研究工作集中在研究二元或多元抗CO電催化劑上，并已取得商業(yè)化運用，例如PtRu/C催化劑。

3.4電池壽命

壽命是PEMFC的一項重要指標，影響著它的基本因素，包括電催化劑的團聚和流失，質子交換膜的降解，污染以及碳載體、擴散層的腐蝕老化等。要提高PEMFC的壽命，重點在于解決這些關鍵材料在電池運行條件下的穩(wěn)定性和耐久性。另外，實際操作過程中，PEMFC電堆也可能因為組裝、操作不當?shù)韧獠恳蛩厥蛊錄]有達到壽命就失效了。因此在這些方面也要多加注意。

4　結論

環(huán)境污染日益嚴重，摩托車新的排放控制法規(guī)實施在即，摩托車廠家在著眼于改進排放控制技術路線的同時，也在積極尋找包括電動摩托車在內的各種替代能源與新技術，在眾多可代替石油的新型能源中PEMFC具有體積小、質量輕、儲能密度高的特點，非常適合用于摩托車等小型移動車輛上，PEMFC為廣大摩托車廠商提供了一種可以探索和實踐的可能性。

客觀地講，PEMFC雖然有很多優(yōu)點，人們對其將來成為新的能源轉換方式也感到歡欣鼓舞，但是就目前來看，它的發(fā)展仍然存在很多瓶頸，例如水熱管理的難以控制，氫燃料的不易獲取及不易儲存等，導致其無法進行大規(guī)模的商業(yè)應用。這需要包括摩托車廠商在內的很多企業(yè)和機構，繼續(xù)探索和完善PEMFC技術，以期最終可以實際運用，可搭載在摩托車等交通運輸工具上，來緩解環(huán)境污染的世界性問題。

1（日）燃料電池開發(fā)信息中心.圖說燃料電池原理與應用[M].白彥華,楊曉輝譯.北京：科學出版社，2003

2朱新堅.中國燃料電池技術現(xiàn)狀與展望[J].電池，2004（3）：202～203

3（美）詹姆斯·拉米尼，安德魯·迪克斯.燃料電池系統(tǒng)原理·設計·應用[M].朱紅譯.北京：科學出版社，2006

4（英）麥克杜格爾.燃料電池[M].江船譯.北京：國防工業(yè)出版社，1983

5（日）電氣學會·燃料電池發(fā)電21世紀系統(tǒng)技術調查專門委員會.燃料電池技術[M].謝曉峰，范星河譯.北京：化學工業(yè)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，F(xiàn)uelCell，Characteristic and Principle，Application Prospect

U463

A

2095-8234（2015）01-0084-03

胡瑞（1987-），男，助理工程師，主要研究方向為摩托車檢測技術。

（2014-11-14）