普通电池的原理是将电池内部的化学能转变成电能，那燃料电池的原理是什么呢？

引言

国际能源界预测，本世纪氢能将得到广泛的应用，而燃料电池将成为利用氢能的重要途径。燃料电池是继水力、火力、核能之后的第四代发电装置，它是可以替代内燃机的动力装置。燃料电池具有安全、高效、无污染、适用广、无噪声等特点，已成为当今世界能源领域的开发热点。

1    基本原理

普通电池是将电池内部的化学能转变成电能，而燃料电池是将电池外部的燃料（氢和氧）通过化学反应，将其释放的能量转变成电能输出。燃料电池外部的燃料存储系统是一个活动装置，可以方便地更换和补充燃料。

燃料电池的基本原理是水的电解的逆反应。它由正极、负极和夹在正负极中间的电解质组成。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气），在电极上常使用催化剂（例如白金）来加速电化学反应。氢在负极分解成正离子H＋和电子e。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。

2    燃料电池的种类及其特点

2.1    质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cells—PEMFC）

该电池的电解质为离子交换膜，薄膜的表面涂有可以加速反应的催化剂（如白金），其两侧分别供应氢气及氧气。由于PEM燃料电池的唯一液体是水，因此腐蚀问题很小，且操作温度介于80℃～100℃之间，安全上的顾虑较低；其缺点是，作为催化剂的白金价格昂贵。PEMFC是轻型汽车和家庭应用的理想电力能源，它可以替代充电电池。

2.2    碱性燃料电池（Alkaline Fuel Cells—AFC）

碱性燃料电池的设计与质子交换膜燃料电池的设计基本相似，但其电解质为稳定的氢氧化钾基质。操作时所需温度并不高，转换效率好，可使用的催化剂种类多且价格便宜，例如银、镍等。但是，在最近各国燃料电池开发中，却无法成为主要开发对象，其原因在于电解质必须是液态，燃料也必须是高纯度的氢才可以。目前，这种电池对于商业化应用来说过于昂贵，其主要为空间研究服务，包括为航天飞机提供动力和饮用水。

2.3    磷酸型燃料电池（Phosphoric Acid Fuel Cells—PAFC）

因其使用的电解质为100％浓度的磷酸而得名。操作温度大约在150℃～220℃之间，因温度高所以废热可回收再利用。其催化剂为白金，因此，同样面临白金价格昂贵的问题。到目前为止，该燃料电池大都使用在大型发电机组上，而且已商业化生产，但是，成本偏高是其未能迅速普及的主要原因。

2.4    熔融碳酸盐燃料电池（（Molten Carbonate Fuel Cells—MCFC）

其电解质为碳酸锂或碳酸钾等碱性碳酸盐。在电极方面，无论是燃料电极还是空气电极，都使用具有透气性的多孔质镍。操作温度约为600℃～700℃，因温度相当高，致使在常温下呈现白色固体状的碳酸盐熔解为透明液体。此型燃料电池，不需要贵金属当催化剂。因为操作温度高，废热可回收再利用，其发电效率高达75％～80％，适用于中央集中型发电厂，目前在日本和意大利已有应用。

2.5    固态氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells—SOFC）

其电解质为氧化锆，因含有少量的氧化钙与氧化钇，稳定度较高，不需要催化剂。一般而言，此种燃料电池操作温度约为1000℃，废热可回收再利用。固态氧化物燃料电池对目前所有燃料电池都有的硫污染具有最大的耐受性。由于使用固态的电解质，这种电池比熔融碳酸盐燃料电池更稳定。其效率约为60％左右，可供工业界用来发电和取暖，同时也具有为车辆提供备用动力的潜力。缺点是构建该型电池的耐高温材料价格昂贵。

2.6    直接甲醇燃料电池（Direct Methanol Fuel Cells—DMFC）

直接甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池的一种变种，它直接使用甲醇在阳极转换成二氧化碳和氢，然后如同标准的质子交换膜燃料电池一样，氢再与氧反应。这种电池的工作温度为120℃，比标准的质子交换膜燃料电池略高，其效率大约在40％左右。其使用的技术仍处于研发阶段，但已成功地显示出可以用作移动电话和笔记本电脑的电源。其缺点是当甲醇低温转换为氢和二氧化碳时要比常规的质子交换膜燃料电池需要更多的白金催化剂。

2.7   再生型燃料电池（Regenerative Fuel Cells—RFC）

再生型燃料电池的概念相对较新，但全球已有许多研究小组正在从事这方面的工作。这种电池构建了一个封闭的系统，不需要外部生成氢，而是将燃料电池中生成的水送回到以太阳能为动力的电解池中分解成氢和氧，然后将其送回到燃料电池。目前，这种电池的商业化开发仍有许多问题尚待解决，例如成本，太阳能利用的稳定性等。美国航空航天局（NASA）正在致力于这种电池的研究。

2.8    锌空燃料电池（Zinc－air Fuel Cells—ZAFC）

利用锌和空气在电解质中的化学反应产生电。锌空燃料电池的最大好处是能量高。与其他燃料电池相比，同样的重量，锌空电池可以运行更长的时间。另外，地球上丰富的锌资源使锌空电池的原材料很便宜。它可用于电动汽车、消费电子和军事领域，前景广阔。目前Metallic Power和Power Zinc公司正在致力于锌空燃料电池的研究和商业化。

2.9    质子陶瓷燃料电池（Protonic Ceramic Fuel Cells—PCFC）

这种新型燃料电池的机理是：在高温下陶瓷电解材料具有很高的质子导电率。Protonetics International Inc.正在致力于这种电池的研究。

3    燃料电池的研发和应用现状

燃料电池技术在全球的开发极为活跃。全世界约有20多个国家的上千家公司和机构投入巨额资金从事燃料电池的研究和商业化工作。目前，已有2500多个燃料电池系统安装在世界各地，为医院、托儿所、宾馆、办公楼、学校、机场和电厂等提供基本的和备用的电力供应。

美国是研究燃料电池最早的国家，处于该领域的领先地位。早在上世纪60年代初，NASA为解决航天飞机中普通电池过重的问题而开始研究新的动力装置。之后的几十年中，能源部（DOE）、电力研究所（EPRI）和气体研究协会（GRI）等部门都投入了大量的人力和财力进行研发。目前，碱性电池长期被NASA采用；磷酸型电池技术也相当成熟，已有广泛的商业化应用。2MW的熔融碳酸盐电池已投入运行，西屋（Westinghouse）公司100kW固体氧化物电池也已在荷兰安装。

日本在30多年前就开始燃料电池的研究，近年来成果尤为显着。开发重点集中在磷酸型、熔融碳酸盐型、固体氧化物型3大类。容量达11MW的磷酸盐发电装置也已在东京电力公司投运，效率达43.6％，熔融碳酸盐型已经运转的有2MW级装置。另外还建立了许多宾馆、医院用的100kW级的磷酸型现场发电电池系统。

欧洲各国燃料电池开发较美国、日本为晚。早年主要兴趣在碱性电池，随着燃料电池技术的发展，其优越特性逐渐为人们所认识，欧洲各国也加快了燃料电池技术的引进开发。荷兰、意大利、德国、西班牙等国分别完成10kW、100kW、280kW级碳酸盐型电池的开发，德国和瑞士分别进行了7kW和10kW级固体氧化物电池的开发；意大利于1991年投运了美国造的1MW级磷酸型电池装置。

由于石油短缺和汽车尾气污染等环境问题日益严重，目前燃料电池研发生产的一个重要方向是能够给汽车提供动力。几乎所有大的汽车制造商都在研发使用燃料电池的电动汽车，并已有示范车型。目前，丰田和本田公司已经在日本和美国开展电动汽车的租车业务。现在已有一些使用充电电池的电动汽车，但使用燃料电池的电动汽车市场仍处于培育阶段。专家们预测到2010年前后才能实现商业化。应用于便携式设备（手机、笔记本电脑、掌上电脑等）的微型燃料电池的研发竞争也在激烈地进行。

我国燃料电池的研制开发起步并不晚，然而发展缓慢。上世纪70年代，为配合航天事业的发展我们在碱性燃料电池领域取得了一些进步，但到上世纪80年代由于资金原因研发放慢了，直至上世纪90年代末才又开始新一轮的研发及商业化尝试。

在国内燃料电池研发工作中具有代表性的大连化学物理研究所，已经从事燃料电池的研究近50年，早年曾成功研制了500W的碱性型燃料电池，近年来致力于质子膜、熔融碳酸盐和固体氧化物型电池的研究。该所在2001年至2003年间，将30kW的质子膜电池组用在小型汽车和大型公共汽车上示范成功，并成立了新源动力公司，开始了产品的商业化进程。2003年春，该所与清华大学合作将75kW的质子膜电堆应用在公共汽车上。在直接甲醇燃料电池方面，大连化物所、韩国三星公司、南孚电池公司建立了合作实验室。目前，中国科技大学无机膜研究所已成功研制了新型中温固体氧化物燃料电池。

由于燃料电池的成本居高不下，目前仍处于研发和示范应用阶段，但它在能源贮备、供应方面的安全、可靠、高效率、无污染等特性和广阔的应用前景，使得全世界都在这个领域进行着研发竞赛。

燃料电池领域的研发是一个很大的系统工程，涉及材料、元件、研发、制造、集成应用、分销和终端用户等各个方面，因此"官、产、研"结合是该领域发展的一个显着特征，也是必由之路。我们也充分意识到燃料电池，这个属于能源基础行业中的高新技术，其产业化的难度。这个过程将经历3个阶段：注重技术水平的成果阶段；注重实用化的产品阶段；注重销售价格/生产成本的商品阶段。

燃料电池汽车是电动汽车的一种。燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2-3倍。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车。随着对汽车燃油经济性和环保的要求，汽车动力系统将从现在以汽油等化石燃料为主慢慢过渡到混合动力，最终将完全由清洁的燃料电池车替代。

近几年来，燃料电池系统和燃料电池汽车技术已经取得了重大的进展。世界着名汽车制造厂，如丰田、本田、通用、戴姆勒-克莱斯勒、日产和福特汽车公司已经开发了几代燃料电池汽车,并宣布了各种将燃料电池汽车投向市场的战略目标。目前，燃料电池轿车的样车正在进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的几个城市中正在进行示范项目。其中本田的FCX Clarity最高时速达到了160 km/h[8];丰田燃料电池汽车FCHV-adv已经累计运行了360,000 km的路试，能够在零下37度启动，一次加氢能够从大阪行驶到东京（560公里）。在我国科技部的支持下，燃料电池汽车技术得到了迅速发展。2007年，我国第四代燃料电池轿车研制成功，该车最高时速达150 km/h,最大续驶里程319 km。2008年，20燃料电池示范汽车又在北京奥运进行了示范运行。2010年，包括上汽、奇瑞等国内汽车企业共有196辆燃料电池汽车在上海世博园区进行示范运行。

在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战，如燃料电池组的一体化，提高商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力，并已取得了显着的进步。但与传统的内燃机轿车相比，燃料电池电动汽车采用“燃料电池+电动机”来代替传统车的“心脏”-发动机和燃油系统。燃料电池轿车的动力传动系统发生较大的变化，主要表现在：电动机替代内燃机成为驱动动力源；离合器与扭转减振器被省略；多挡变速器通常被替换为减速器。因此，燃料电池汽车的动力传动系统总体得到简化。但在行驶时，燃料电池是主要的动力来源，蓄电池为辅助能量来源。汽车需要的功率主要由燃料电池提供。可以说，车用燃料电池的选取，对于燃料电池汽车的性能至关重要。

本文介绍了燃料电池汽车动力传统技术发展概况，围绕燃料电池电动汽车动力传动拓扑架构、多源系统管理和动力系统配置与仿真优化技术等关键技术开展了详细论述。

2　动力传动系统拓扑构架设计

燃料电池汽车的运行并不是一个稳态情况，频繁的启动、加速和爬坡使得汽车动态工况非常复杂。燃料电池系统的动态响应比较慢，在启动、急加速或爬陡坡时燃料电池的输出特性无法满足车辆的行驶要求。在实际燃料电池汽车上，常常需要使用燃料电池混合电动汽车设计方法，即引入辅助能源装置（蓄电池、超级电容器或蓄电池十超级电容器）通过电力电子装置与燃料电池并网，用来提供峰值功率以补充车辆在加速或爬坡时燃料电池输出功率能力的不足。另一方面，在汽车怠速、低速或减速等工况下，燃料电池的功率大于驱动功率时，存储富余的能量，或在回馈制动时，吸收存储制动能量，从而提高整个动力系统的能量效率。

2.1　直接燃料电池混合动力系统结构

直接燃料电池混合动力系统式结构中采用的电力电子装置只有电机控制器，燃料电池和辅助动力装置都直接并接在电机控制器的入口。如丰田的FCHV-4, FIAT-Elettra和日产X-TrailFCV等都采用这种类似的结构设计。辅助动力装置扩充了动力系统总的能量容量，增加了车辆一次加氢后的续驶里程；扩大了系统的功率范围，减轻了燃料电池承担的功率负荷。许多插电混合的燃料电池汽车也经常采用这样的构架，美国Ford公司Edge Plug-in燃料电池轿车和GM公司Volt Plug-in燃料电池车。这种插电式混合动力汽车将有效的减少氢燃料的消耗。另外，辅助动力装置的存在使得系统具备了回收制动能量的能力，并且增加了系统运行的可靠性。燃料电池和辅助动力装置之间对负载功率的合理分配还可以提高燃料电池的总体运行效率。

在系统设计中，可以在辅助动力装置和动力系统直流母线之间添加了一个双向DC/DC变换器。使得对辅助动力装置充放电的控制更加灵活、易于实现。由于双向DC/DC变换器可以较好地控制辅助动力装置的电压或电流，因此它还是系统控制策略的执行部件。

2.2　并联式动力系统结构

另一种构架是并联式的燃料电池混合动力系统的结构。这种构建通常在燃料电池和电机控制器之间安装了一个DC/DC变换器，燃料电池的端电压通过DC/DC变换器的升压或降压来与系统直流母线的电压等级进行匹配。这种系统与上述构架不同之处还在于，这种动力系统的设计没有考虑能量的回馈回收，因此系统虽然简单，但效率比较低下。

尽管系统直流母线的电压与燃料电池功率输出能力之间不再有耦合关系，但DC/DC变换器必须将系统直流母线的电压维持在最适宜电机系统工作的电压点（或范围），对于交流电机驱动系统，通常还需要安装一个DC/AC转换器。目前这类构架系统只在一些小型或者实验的车上使用，如2002年通用汽车公司开发的Autonomy和Hy-wire两种车都是基于该中构架的。2008年，同济大学-蒂森克虏伯联合实验室采用这种架构开发了小型燃料电池汽车[19],并研究了燃料电池电堆系统对整车性能的影响。

3　燃料电池汽车多能源系统管理与优化

燃料电池不适合作为动力系统的单一驱动能源，必须选用辅助能源系统合理补充驱动电动汽车所需的能量，覆盖功率波动，提高峰值功率，吸收回馈能量，改善燃料电池输出功率的瞬态特性。目前各大汽车开发商采用了辅助动力，来提高燃料电池汽车的性能。

3.1　动力电池辅助能源系统

目前铅酸电池由于比能量及比功率均较低，已经淘汰。在汽车上常用的动力蓄电池主要有镍氢电池和锂离子电池等。镍氢电池属于碱性电池，具有不易老化，无需预充电以及低温放电特性较好等优点。其能量密度可超过80 Wh/kg,一次充电的行驶距离长，在大电流工作时能够平稳放电。FCHV-4[6],High-lander FCHV-adv和通用Chevrolet Equinox的动力系统都是燃料电池和镍氢电池集成的。但，镍氢在高温环境下，电池电荷量会急剧下降，并且具有记忆效应和充电发热等方面的问题。在燃料电池混合动力系统中镍氢电池SOC应保持在40%-60%之间，充放电电流应处于160-240 A的范围，温度应维持在常温附近，以确保系统安全性和经济性。

锂离子电池具有体积小，能量密度高（>120Wh/kg）、高安全性和无污染性等优点。本田FCXClarity[8],通用Chevrolet Sequel[10]锂和日产X-Trail FCV等都采用锂离子电池作为燃料电池汽车的辅助能源系统。离子电池的能量密度是镍氢电池的1.5-3倍。其单体电池的平均电压为3.2V,相当于3个镍锌或镍氢电池串接起来的电压值，因而能够减少电池组合体的数量，降低单体电池电压差所造成的电池故障发生概率，从而提高了电池组的使用寿命。

锂离子电池具备自放电低（仅为5%-10%）的优点，当在非使用状态下贮存，内部相当稳定，几乎不发生任何化学反应。由于锂离子电池不含有镉、汞和铅等重金属，因而在使用过程中不会对环境造成污染。对于电动汽车而言，锂离子电池易于车载布置安装，是较为理想的能量存储媒介。常常使用Simulink和Dymola等工具来对电池系统进行仿真分析，提高电池的使用效率和寿命。

3.2　超级电容系统

超级电容器是一种新型储能元件，它既像静电电容一样具有很高的放电功率，又像电池一样具有很大的电荷储存能力。由于其放电特性与静电电容更为接近，所以仍然称之为“电容”。

如果仅采用超级电容作为唯一辅助能源还存在诸多不足之处，如：电动汽车长时间停机后再次启动，由于超级电容的自放电效应，在燃料电池的能量输出尚未稳定时车载辅助系统的供电将无法保障。况且超级电容能量密度很低，若要达到一定的能量储备能力其设备体积势必加大。当前超级电容都是与其他动力电池一起购车辅助电源系统，在燃料电池汽车上使用的。为了克服精确的描述超级电容的特性，可以采用阻抗法进行建模代替简单RC回路模。

3.3　多源能量的组合与控制

燃料电池电动汽车安装上述两种拓扑构型，与动力电池和超级电容进行组合，才能达到比较好的效果。目前，主要采用的三种能量组合方式有：1）燃料电池+动力电池，通用Chevrolet Equinox等就采用这种组合方式];2）燃料电池+超级电容，如本田的FCV-3和马自达FC-EV等;3）燃料电池+动力电池+超级电容，如本田FCHV-4[8]。Tadaichi[6]研究了不同状况下，能量的流动方式。通过对车用3种能源的比较，基于燃料电池发动机输出功率预测控制策略设计了多能源能量管理系统，实现了对3种能源的优化管理和控制。

4　动力系统配置与仿真优化技术

4.1　燃料电池系统仿真技术

燃料电池汽车中的燃料电池系统建模的方法又可分为两种，一种是在电化学、工程热力学、流体力学等理论基础上，建立比较复杂的一维或多维物理模型。这种模型可根据不同燃料电池的结构参数建立相应模型，分析压力、温度、湿度、流量、催化剂、管道结构等多方面因素对燃料电池工作的影响。但这种模型复杂不直观，且运算速度慢。另一种则采用较简单的数学经验模型并结合相应的商业软件,这种方法具有直观快速的特点，但该模型只能针对特定的燃料电池系统，其建立需依靠实验数据。

4.2　整车动力传动系统仿真优化技术

燃料电池车仿真的最终目的是以燃料电池模型为基础，结合子系统和动力传送系统的相关模型，仿真分析燃料电池系统乃至整个汽车动力系统的工作情况。这种系统优化的方法主要是结合实际的使用来进行的，一般分成两种。

在实际使用路况未知的情况，俄亥俄州立大学的T. Gabriel Choi等[28]基于FIAT Panda车型，针对燃料电池插电式电动汽车的动力要求，研究了两者控制测量：离线全局优化和动态优化下控制测量的设置方法。对于家庭充电和燃料电池混合应用的能量优化控制方法。Guezennec等[29,30]研究了驾驶习惯对能量的使用情况，并对动力系统和尺寸容量等做了优化。

对于实际使用情况已知，谢长君等研究了巡航加速等工况下的优化方法，Francisco等]研究了乡村路线、城市路线和两者混合下燃料电池电动汽车动力系统容量的设计方法，研究了不同辅助能量系统下动力系统的效率和能耗，为燃料电池动力系统设计提供参考。Keshav S等[32]运用动力系统仿真分析工具（PSAT）分析了燃料电池整车系统包括燃料电池电堆和其他部件的性能，发现当使用单个辅助能量时，锂电池的效果最好（表二）。锂电池和超级电容混用，则可以9%的效率。另外，针对燃料电池机械结构及其动态相应也需要进一步考虑。

5　总结

燃料电池电动车中的燃料电池电堆只能维持车辆运行的平均功率要求，采用辅助能量系统提高了燃料电池汽车的效率。本文围绕燃料电池汽车动力传统技术关键技术，分别对燃料电池电动汽车动力传动拓扑架构、多源系统管理和动力系统配置与仿真优化技术等关键技术开展了详细论述。本文的研究对燃料电池电动汽车动力传统设计与制造具有重要的参考价值。