通过本书可以学习燃料电池汽车原理，构成、控制策略，氢气安全等与燃料电池汽车相关得知识，本书是燃料电池汽车从业者得基本学习工装手册！

第 1 章 绪论 3

划期间的十几年内承担国家电动汽车重大项目，从事电动汽车、混合动力汽车和燃 料电池汽车研究工作的体会和成果。本书主要介绍质子交换膜燃料电池的基本原 理、国内外研究进展，燃料电池电动汽车的基本构成、系统仿真、试验方法以及氢燃 料的制备、储存、运输等问题

路桥图纸燃料电池的基本原理及应用

2.1燃料电池的基本原理

（1）氢气通过管道或导气板到达阳极。

（2）在阳极催化剂的作用下，一个氢分子分解为两个氢离子，并释放出两个电 子，阳极反应为

H, → 2H++ 2ei

（3）在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导气板到达阴极，同时，氢离 子穿过电解质到达阴极，电子通过外电路也到达阴极。 （4）在阴极催化剂的作用下，氧和氢离子与电子发生反应生成水，阴极反应为

H2 +O2 →H20

与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出 电能。 燃料电池的工作原理和普通的电化学原电池和充电电池类似，都是通过电化 学反应将化学能转换成电能，但两者之间还是有本质差别的。普通的原电池或充 电电池是一个封闭系统。封装后它与外界只存在能量交换而没有物质交换。当电 池内部的化学物质耗尽或反应条件发生变化时，系统就无法继续输出能量。而燃 料电池则不同，参与反应的化学物质，如氢和氧，是由燃料电池外部的单独供气系 统供给的，只要保证物质供应的连续性，就可以保证能量输出的连续性。从这个意 义上来讲，燃料电池本身是一个开放的发电装置，这正是燃料电池与普通电池的最 大差别。

燃料电池的种类繁多，通常燃料电池可以依据其工作的温度、燃料种类、电解 质类型进行分类。 按照工作温度，燃料电池可分为高、中及低温型三类。工作温度从常温至 100℃，称为低温燃料电池，这类电池包括固体聚合物电解质燃料电池等；工作温度 介于100℃～300℃的为中温燃料电池，如磷酸型燃料电池；工作温度在500℃以 上的为高温燃料电池，这种类型的电池包括熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃 料电池。 按照燃料的来源，燃料电池也可分为三类。第一类是直接式燃料电池，即其燃 料直接使用氢气；第二类是间接式燃料电池，其燃料不是直接使用氢气，而是通过 某种方法把甲烷、甲醇或其他烃类化合物转变成氢或富含氢的混合气后再供给燃 料电池；第三类是再生燃料电池，指把燃料电池生成的水经适当方法分解成氢和 氧，再重新输送给燃料电池进行发电

第2章燃料电池的基本原理及应用

国内外燃料电池研究者一般按照燃料电池的电解质类型分类。目前正在开发 的商用燃料电池，依据电解质类型可以分成五大类： ·碱性燃料电池(alkalinefuel cell,AFC); ·磷酸燃料电池（phosphoricacidfuelcell,PAFC)； ：质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell,PEMFC）： ·熔融碳酸盐燃料电池（moltencarbonatefuel cell,MCFC); ·固体氧化物燃料电池（solidoxidefuelcell.SOFC)。

2.2.1碱性燃料电池

2.2.2磷酸燃料电池

PAFC是目前使用最多的燃料电池。以天然气为燃料的11kW的PAFC验证 性电站已建成并投人运行，它的综合热效率可达到70%～80%。采用PAFC的 50kW～250kW的独立发电设备可用于医院、旅馆等，作为分散的发电站。实践证 明了PAFC电站运行的可靠性。1996年美国在25座（30ft①）的大客车上安装了 PAFC并进行了路试，车上采用燃料电池系统和蓄电池混合电源系统，燃料使用甲 醇，额定功率50kW，效率大于44%

2.2.3质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池特点是：效率高、结构紧凑、重量轻、比功率大、无腐蚀性、 不受二氧化碳的影响、燃料来源比较广泛等。 质子交换膜燃料电池的最大优势在于它的工作温度。其最佳工作温度是 80℃90℃，但在室温下也可以正常工作，所以特别适合用作交通车辆的移动电 源。正因为如此，质子交换膜燃料电池最有希望替代内燃机而成为汽车动力源。 现今对于质子交换膜燃料电池的研究开展得越来越多。无论从电池本身，还是从

D1ft=0.3048m。

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电池与车辆的匹配，以及样车的试制，都进行了比较深入的探索。鉴于质子交换膜 燃料电池应用在电动车上的巨大潜力，下面将对质子交换膜燃料电池的原理和发 展作比较详细的介绍

2.3质子交换膜燃料电池

第 2 章燃料电池的基本原理及应用1

：燃料电池的基本原理及应用1

为使读者进一步了解燃料电池的结构和原理，下面将对燃料电池的各个部分 和关键技术作简单的介绍。

12燃料电池电动汽车

膜片，是电极活性物质（催化剂）的基底。其微观结构非常复杂，本书不进一步讨 论。它的主要特点是在一定的温度和湿度条件下，具有选择透过性，即只容许H+ 离子（质子）透过，而不容许H2分子及其他离子透过。质子交换膜燃料电池对于质 子交换膜的要求非常高，它不仅要具有良好的离子导电性能，还要同时具有适度的 含水率，对电池工作过程中的氧化、还原和水解具有稳定性，具有足够高的机械强 度和结构强度，以及具有膜表面适合与催化剂结合等性能。质子交换膜的物理、化 学性质对燃料电池的性能具有极大的影响。对性能造成影响的质子交换膜的物理 性质主要表现在以下几个方面。 （1）膜的厚度和单位面积质量。降低膜的厚度和单位质量，可以降低膜的电 阻，提高电池的工作电压和能量密度；但是如果厚度过低，会影响膜的抗拉强度，甚 至引起氢气的泄漏而导致电池的失效。 （2）膜的抗拉强度。它与膜的厚度成正比，同时也与环境有关。在保证满足 膜的抗拉强度要求下，应尽量减小膜的厚度。 （3）膜的含水率。每克干膜的含水量称为膜的含水率，可用百分数表示，即

水的质量（g） × 100% 干膜的质量（g）

含水率对膜电解质的质子传递能力有很大影响，也会影响到氧在膜中的溶解 扩散。含水率高，质子扩散因子和渗透率也大，膜电阻随之下降，但同时膜的强度 也有所下降。 （4）膜的溶胀度。膜的溶胀度是指离子膜在给定的溶液中浸泡后，离子膜的 面积或体积变化的百分率，即

不同类型质子交换膜电导率和相关物理性

膜的选择通过性可以用透过性参数P来表示，即

通过性可以用透过性参数P来表示，即

第2章燃料电池的基本原理及应用

具有抗CO中毒的能力，对于使用烃类燃料重整的质子交换膜燃料电池系统，阳极 催化剂系统尤其应注意这个问题。

目前主要采用贵金属Pt作为电催化剂。虽然它对于两个电极反应均具有催 化活性，而且可以长期稳定工作，但由于Pt的价格昂贵、资源匮乏，使得质子交换 膜燃料电池的成本居高不下，限制了其大规模应用。质子交换膜燃料电池催化剂 研究的重点主要在两个方面：其一是尽量提高Pt的利用率，减少单位面积的使用 量。其二是寻找新的价格较低的非贵金属催化剂。经过多年的努力，在以上两方

第2 章燃料电池的基本原理及应用

面的研究工作都取得了 中可以看出Pt利用率在逐渐提高。

不同时期Pt利用率的

2.3.3膜电极和双极性集流

MEA是PEMFC的核心部分，是影响PEMFC性能、能量密度分布和工作寿 命的关键因素。组成MEA的电极材料、电极的制备工艺和方法等决定了其基本 性能。另外，MEA中贵金属（如Pt）的用量也与电极的制备方法有直接的关系。 在PEMFC研究的早期阶段，是把铂直接热压到电解质膜的两侧，这种方法制成的 MEA铂载量高达2mg/cm～4mg/cm，导致电池造价过高，难以实际应用。后

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2.4质子交换膜燃料电池的效率和工作特性

燃料电池的效率是指燃料中转化为电能的那部分能量占燃料中所含能量的比 值。PEMFC的效率为60%左右，在5种类型的燃料电池中并不算高，但是这已经 是普通内燃机的2倍左右了。 由于内燃机是通过燃料的燃烧，把热能转变为机械能，因此其效率受到卡诺循 环（Carnotcycle)的限制。根据热力学第二定律，热机的效率n可表示为

式中，ZEF为反应所做的功，QR是反应放出的热，T为热力学温度，则理论上能 转换效率为

即在1atm下，室温为25℃时燃料电池的理想能量转换效率为83%。实际上， 由于电池内阻的存在和电极工作时的极化现象，PEMFC燃料电池的实际效率大 约在50%~70%

①1atm=101325Pa。

8·燃料电池电动汽车

（相当于电流密度为500mA/cm）时，达到设计的最高功率1.2kW（相当于0.3W/ cm）。由于燃料电池的效率主要与工作电压有关，在燃料电池工作电压高时，能 量效率高，但功率低。所以，没有“理想”的燃料电池设计，只能做到对电堆的设计 最优化，以达到在一定的电流密度下获得较高的工作电压，既得到高功率又得到高 能量效率。通常燃料电池的设计只能是满足最终产品的应用要求。例如，对燃料 电池电动汽车用的PEMFC，要求高功率密度和低成本，这只有在大电流密度下工

第2童燃料电池的基本原理及应用

20燃料电池电动汽车

0燃料气体中的CO对燃料电池性能的影响

电流密度1000mA/cm

期工作时又产生大量的热，导致燃料电池温度过高，从而影响质子交换膜的热稳 性和其他性能建筑安全管理，所以又必须采取适当的冷却措施，如空冷或水冷。

2.5质子交换膜燃料电池的模块特性

由于燃料电池单体的输出电压和输出功率往往无法满足实际使用的要求，故 必须将不同数目的电池单体串联形成电池组以满足电压和功率的要求。例如：作 为普通电池组的替代电源的小型燃料电池组（1.5kW），输出电压要求比较低，只 需28.5V即可，这样需串联50个电池单体。而一个可用于电动汽车驱动动力的 质子交换膜燃料电池，功率需求往往达到30kW～200kW以上，如果输出电压过 低，则会导致电流过大，从而造成导线过粗、效率不高等。这就需要增加电池单体 的个数，并且使用升压系统才能够满足要求，但这又会引起一系列的问题：随着电 池单体个数的增加，电池组的体积随之增加；在单体间由于水、热、压力、燃料供应 以及膜的情况的不同而出现性能的差异，使得燃料电池组内部的不平衡性成为应 用的一个不可忽视的问题。而且，为保证燃料电池组的连续运转，必须要考虑燃料 供给系统、水热管理系统如何协调工作。需要解决燃料电池组输出电压升压系统 (DC/DC)的效率、尺寸和两者之间的匹配问题，要考虑整个燃料电池系统在车辆 上的布置、与车上其他部件的匹配等一系列问题。

2.6燃料电池的发展趋势

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黄倬，屠海令，等.质子交换膜燃料电池的研究开发与应用.北京：冶金工业出版社，2000 Fuel Cell Handbook Fifth Edition.PDFversion.EG&G Services,Parsons,Inc.and Science Applications International Corporation for the U.S.Department of Energy. 2o00 http://education.lanl.gov/resources/fuelcells/ The Energy Conversion Team, U. S. Department of Energy. DOE Fuel Cells for TransportationProgram:1999Annualprogressreport Marr C, Li X.An engineering model of proton exchange membrane fuel cell performance. ARI(1998)50:190~200 Steven G C, James F M, et al.Challenges for fuel cells in transport applications.Journal of PowerSources,2000,86:40~51 毕道治，邱瑞珍，等.电工高新技术丛书（第1分册）：燃料电池.北京：机械工业出版社，2000 衣宝廉.燃料电池一高效友好的发电方式.大连：中国科学院大连化学物理研究所燃料电池 工程中心，2000

如第2章所述，燃料电池用于车辆驱动暖通空调图纸、图集，为能源问题和环境污染问题提供了一 个有效的解决方案。随着燃料电池技术的不断发展，如何将燃料电池应用于车辆 系统，解决其与车辆众多复杂子系统之间的匹配等问题随之出现。本章主要介绍 燃料电池在车辆应用技术上的发展和各国、各大公司的燃料电池车辆的研究情况。

3.1燃料电池汽车的基本结构