胡　瑞　張殿昌　趙　穎（天津內(nèi)燃機(jī)研究所　天津　300072）

·綜述·

燃料電池在摩托車領(lǐng)域的應(yīng)用前景

胡瑞張殿昌趙穎
（天津內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

近些年來(lái)，由于摩托車等機(jī)動(dòng)車尾氣排放帶來(lái)的污染導(dǎo)致全球各地自然環(huán)境不斷惡化。全球變暖，嚴(yán)重霧霾天氣不斷出現(xiàn)，給我們的生活、生產(chǎn)帶來(lái)了諸多不便和弊端。全球各個(gè)國(guó)家都在積極開(kāi)展新能源的探索和研發(fā)，以期解決問(wèn)題。質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種新能源具有一些優(yōu)勢(shì)，著重介紹其特點(diǎn)和原理。

新能源燃料電池特點(diǎn)和原理應(yīng)用前景

引言

質(zhì)子交換膜燃料電池 （Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）是一種將儲(chǔ)存在燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能的化學(xué)單元。雖然也稱之為電池，但這種燃料電池?zé)o論原理、結(jié)構(gòu)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(zhì)的不同。它具有非常復(fù)雜的系統(tǒng)，且其活性物質(zhì)是獨(dú)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(jī)、汽油機(jī)一樣連續(xù)不斷地工作，與普通熱機(jī)存在一定的類似性。

然而質(zhì)子交換膜燃料電池與普通意義上的熱機(jī)有著本質(zhì)上的區(qū)別。汽油機(jī)、柴油機(jī)的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程是化學(xué)能→熱能→機(jī)械能，其中關(guān)鍵之處為化學(xué)燃燒反應(yīng)放熱，導(dǎo)致氣體膨脹做功，從而來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)。此過(guò)程受卡諾循環(huán)的限制（對(duì)于汽車來(lái)說(shuō)上限大約為40%），因此無(wú)法大幅度提高系統(tǒng)效率。但是這種燃料電池的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程為化學(xué)能→電能-機(jī)械能，能量傳輸過(guò)程中，繞開(kāi)了燃燒放熱過(guò)程，從而擺脫了經(jīng)典熱機(jī)理論——卡諾循環(huán)的限制，其理論效率可以超過(guò)80%。能量利用率之高，是普通熱機(jī)難以企及的，這使得燃料電池在能源問(wèn)題日益緊張的今天，受到前所未有的關(guān)注，成為可搭載于摩托車等交通運(yùn)輸工具的新型動(dòng)力源的重要選擇之一。

1　質(zhì)子交換膜燃料電池的特點(diǎn)

質(zhì)子交換膜燃料電池的工作過(guò)程相當(dāng)于水解的逆過(guò)程。單電池由陽(yáng)極、陰極以及質(zhì)子交換膜組成。陽(yáng)極為氫燃料發(fā)生氧化的場(chǎng)所，陰極為氧化劑還原的場(chǎng)所，兩極都含有加速電極電化學(xué)反應(yīng)的催化劑，質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)，提供這種電化學(xué)反應(yīng)所需的環(huán)境。

質(zhì)子交換膜燃料電池具有如下特點(diǎn)[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(zhuǎn)換效率高而大幅度降低，而且無(wú)機(jī)械振動(dòng)。

2）能量轉(zhuǎn)化率高，質(zhì)子交換膜在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，不經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，因此不受卡諾循環(huán)的限制。理論上講，其效率可高達(dá)80%以上。

3）體積小，質(zhì)量輕，儲(chǔ)能密度高，比功率高。

除此之外，還具有負(fù)荷響應(yīng)快，運(yùn)行質(zhì)量高，工作溫度低，制造和維護(hù)方便等特點(diǎn)。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(yīng)用領(lǐng)域最廣的一種（如表1所示），它可以應(yīng)用于幾瓦到幾十瓦的手機(jī)、計(jì)算機(jī)、便攜式電源、幾千瓦的船舶及家用系統(tǒng)、數(shù)十瓦的電動(dòng)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(jì)的眾多清潔代替能源之一，在國(guó)防和民用的電力、汽車、交通運(yùn)輸?shù)榷囝I(lǐng)域有重要的應(yīng)用[2]。

表1　燃料電池優(yōu)缺點(diǎn)

2　質(zhì)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(guò)雙極板上的導(dǎo)氣通道分別到達(dá)電池的陽(yáng)極和陰極，之后通過(guò)電極上的擴(kuò)散層、催化層到達(dá)質(zhì)子交換膜，在膜的陽(yáng)極一側(cè)，氫氣在陽(yáng)極催化劑的作用下解離為H+和e-，H+以水合質(zhì)子H+（x H2O）的形式，在質(zhì)子交換膜中轉(zhuǎn)移，最后到達(dá)陰極，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子導(dǎo)電。H+的這種轉(zhuǎn)移導(dǎo)致了陽(yáng)極出現(xiàn)帶負(fù)電的電子積累，從而變成了一個(gè)帶負(fù)電的端子（負(fù)極）。與此同時(shí)，陰極的O2在催化劑作用下與陽(yáng)極過(guò)來(lái)的H+結(jié)合，使得陰極變成了帶正電的端子（正極），其結(jié)果就是在陽(yáng)極的帶負(fù)電終端和陰極的帶正電終端之間產(chǎn)生了一個(gè)電壓。如果此時(shí)通過(guò)外電路將兩極相連，電子就會(huì)通過(guò)回路從陽(yáng)極流向陰極，從而產(chǎn)生電流。如圖1所示。描述了質(zhì)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(yáng)極和陰極上[3]。

H2?2H++2e（在交換膜的陽(yáng)極上）

O2+4H++4e+?2H2O（在交換膜的陰極上）

圖1　質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理

3　質(zhì)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(zhì)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(dǎo)質(zhì)子的作用，因此，目前PEMFC的工作溫度一般不會(huì)超過(guò)82℃，這也影響了PEMFC性能的進(jìn)一步提高。為了提高PEMFC性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，很多研究機(jī)構(gòu)正在研究開(kāi)發(fā)耐高溫質(zhì)子交換膜，希望通過(guò)提高工作溫度增強(qiáng)催化劑抗CO中毒的能力，同時(shí)提高PEMFC的電性能。

從氫氧電化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)可以了解到，升高操作溫度會(huì)導(dǎo)致電池中可逆電池的可逆電動(dòng)勢(shì)下降，但從電化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析，升高電池操作溫度卻加快反應(yīng)速度，降低電化學(xué)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(dǎo)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(yīng)氣體向催化層活化中心擴(kuò)散，降低濃度極化。在實(shí)際操作中，對(duì)于低溫PEMFC，動(dòng)力學(xué)因素起主導(dǎo)作用，可見(jiàn)，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(wú)論是從熱力學(xué)還是從電化學(xué)動(dòng)力學(xué)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(dāng)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(huì)增加。目前，PEMFC的工作壓力一般都在幾個(gè)大氣壓之內(nèi)。目前在汽車應(yīng)用的熱電聯(lián)供系統(tǒng)中，一般采用常壓氫空系統(tǒng)來(lái)降低配套附屬設(shè)備的難度。

3.3CO影響

目前實(shí)際應(yīng)用的大中型PEMFC電堆所采用的氫氣多是以天然氣、甲醇等碳?xì)浠衔镏卣茪浞绞降玫降?。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(dǎo)致PEMFC性能大幅度下降。目前，已經(jīng)研究過(guò)的解決CO中毒的方法主要是陽(yáng)極諸如氧化劑、重整氣預(yù)凈化除CO和采用抗CO電催化劑三種方法。其中，開(kāi)發(fā)抗CO電催化劑是最好的辦法，近年來(lái)，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(yùn)用，例如PtRu/C催化劑。

3.4電池壽命

壽命是PEMFC的一項(xiàng)重要指標(biāo)，影響著它的基本因素，包括電催化劑的團(tuán)聚和流失，質(zhì)子交換膜的降解，污染以及碳載體、擴(kuò)散層的腐蝕老化等。要提高PEMFC的壽命，重點(diǎn)在于解決這些關(guān)鍵材料在電池運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性和耐久性。另外，實(shí)際操作過(guò)程中，PEMFC電堆也可能因?yàn)榻M裝、操作不當(dāng)?shù)韧獠恳蛩厥蛊錄](méi)有達(dá)到壽命就失效了。因此在這些方面也要多加注意。

4　結(jié)論

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

客觀地講，PEMFC雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，人們對(duì)其將來(lái)成為新的能源轉(zhuǎn)換方式也感到歡欣鼓舞，但是就目前來(lái)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(chǔ)存等，導(dǎo)致其無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用。這需要包括摩托車廠商在內(nèi)的很多企業(yè)和機(jī)構(gòu)，繼續(xù)探索和完善PEMFC技術(shù)，以期最終可以實(shí)際運(yùn)用，可搭載在摩托車等交通運(yùn)輸工具上，來(lái)緩解環(huán)境污染的世界性問(wèn)題。

1（日）燃料電池開(kāi)發(fā)信息中心.圖說(shuō)燃料電池原理與應(yīng)用[M].白彥華,楊曉輝譯.北京：科學(xué)出版社，2003

2朱新堅(jiān).中國(guó)燃料電池技術(shù)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(shè)計(jì)·應(yīng)用[M].朱紅譯.北京：科學(xué)出版社，2006

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

5（日）電氣學(xué)會(huì)·燃料電池發(fā)電21世紀(jì)系統(tǒng)技術(shù)調(diào)查專門委員會(huì).燃料電池技術(shù)[M].謝曉峰，范星河譯.北京：化學(xué)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?yàn)槟ν熊嚈z測(cè)技術(shù)。

（2014-11-14）