文献综述
1.研究背景
随着环境问题和能源问题的日益突出，环境污染和能源危机已经成为全球关注的两大焦点。开发并使用环境友好的新能源，是我们必须面临的重要课题[1]。新能源汽车成为了世界各大汽车厂商及研发机构的研究热点，而在其中，燃料电池汽车（fuel-cell vehicle，FCV) 以其高效率和近零排放被普遍认为具有广阔的发展前景。燃料电池汽车( FCV) 是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车。与通常的电动汽车比较, 其动力方面的不同在于FCV 用的电力来自车载燃料电池装置,。
燃料电池是一种不燃烧燃料而直接以电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。这种电化学反应属于一种没有物体运动就获得电力的静态发电方式。因而, 燃料电池具有效率高、噪音低、无污染物排出等优点, 这确保了FCV 成为真正意义上的高效、清洁汽车。
广泛应用于电动汽车的燃料电池是一种称为质子交换膜的燃料电池(PEMFC)，它由一个负充电电极 ( 阳极) 、一个正充电电极( 阴极) 和一个电介质膜组成[2]。它以纯氢为燃料，以空气为氧化剂，不经历热机过程，不受热力循环限制，因此能量的转换效率高，是普通内燃机热效率的2～3倍。另外,由于使用的电解质膜为固态,可避免电解质腐蚀。同时，它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性，使得PEMFC非常适合用作交通工具的动力源。
燃料电池技术的研究与开发已取得了重大进展,技术逐渐成熟,并在一定程度上实现了商业化。作为21世纪的高科技产品,燃料电池已应用于汽车工业、能源发电、船舶工业、航空航天、家用电源等行业,受到各国政府的重视。
2.车用燃料电池研究现状
2.1 车用燃料电池
燃料电池是一种能够将燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应持续不断的转化为电能的装置。因为没有燃烧过程，所以不受卡诺循环的影响。燃料电池的发明历史可追溯到十九世纪中叶。燃料电池根据电解质的不同可以分为：碱性燃料电池、磷酸盐型燃料电池、融熔盐型燃料电池、固体氧化物型燃料电池和质子交换膜燃料电池等。[3]
由于质子交换膜燃料电池操作温度低、启动速度快，是车用燃料电池的首选，目前国内外燃料电池车大都以PEMFC技术为主。[4]其发电原理与原电池或二次电池相似,电解质隔膜两侧分别发生氢氧化反应与氧还原反应,电子通过外电路作功,反应产物为水(图1)。质子交换膜燃料电池主要由双极板和膜电极组构成。其中双极板包括流场板和集流板，流场板的作用为作为反应气体在电池对内的通道，使气体平稳的向膜电极运输。集流板的作用是收集电化学反应中产生的电子，将产生的电流引向负载。双极板由金属板和碳板两种类型，膜电极组包括扩散层、催化层和质子交换膜。扩散层有利于气体平稳均匀的通过，并起到支撑催化层传导电流的作用。催化层是进行电化学反应的场所。质子交换膜起到阻隔气体和传导质子的作用。媒介单体电池都会产生物质传输、电化学反应、热传递和水传递。由于单体燃料电池电压较低，一般采用多节单体串联组成燃料电池电堆的方式来满足电压需求。[5]
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