车用质子交换膜燃料电池系统技术现状[修改稿]

1、车用质子交换膜燃料电池系统技术现状周苏 1，2，,纪光霁1，马天才1，陈凤祥1，章桐 1，2 1. 同济大学汽车学院，上海201804 2. 同济大学中德学院，上海200092摘 要：质子交换膜（PEM）燃料电池系统在国际上被普遍认为是未来汽车动力的最有前途的解决方案之一。目前PEM燃料电池仍处于研发阶段，但各大汽车制造商均已推出PEM燃料电池原型车，其中以日本Honda的 Clarity FCX、德国DCX的NECAR5和美国GM的E-Flex为代表。本文以车用PEM燃料电池系统（发动机）为研究对象，详细介绍了系统组成的主要部件，描述了系统目前的技术状态及技术指标。关键词：燃料电池系统 技术

2、现状 车载应用The Current Technical Status of PEMFC for Automotive ApplicationZhou Su1,2,*，Ji Guangji1，Ma Tiancai1, Chen Fengxiang2，Zhang Tong11Automotive College, Tongji University, Shanghai 2018042. Chinesisch-Deutsches Hochschulkolleg, Tongji University, Shanghai 200092Abstract：Proton exchange membrane

3、fuel cell systems are generally recognized as one of the most promising solutions for automobile in the future. The technology of PEMFC is currently still in research and development, but the major car manufacturers have introduced their PEM fuel cell prototype cars, for example Japans Honda Clarity

4、 FCX, Germanys DCX NECAR5 and American GM E-Flex. This paper is contributed to introduction of PEMFC systems (engines) for automotive application, and to the current technical status.Keywords：Fuel cell systems Current technical status Automotive application*通讯作者：周苏（1961-），同济大学汽车学院/国家燃料电池汽车及动力系统工程技术研

5、究中心教授、博士生导师；中德学院AVL“新型车辆动力”基金教席教授；德国CIM/GTZ燃料电池系统专家。E-mail: 1 前言质子交换膜燃料电池(PEMFC)与其它类型的燃料电池（如AFC、PAFC、MCFC、SOFC等）相比，具有工作温度低、比能较高、启动快、寿命较长、应用广泛等特点，被认为是解决能源危机和环境污染的最具前景的方案之一。根据不同的工况和不同的膜材料，PEMFC系统被分为不同的类型。表1列出了各种PEMFC的特性和应用领域。燃料电池车（FCV）多数采用低温高压燃料电池系统，工作温度为80-90，空气进堆压力达到30-40MPa，空气输送采用空压机。对于车用低压燃料电池的相关技

6、术近年来也有了一些研究1，如同济大学与上海大众汽车联合开发的基于Passat领驭的FCV采用的就是低压系统。高温燃料电池由于其热管理系统体积相对较小而备受关注。大众汽车公司于2006年10月公布了一种可以改善当今低温燃料电池缺点的新型高温燃料电池技术2。这种技术采用具有和水相似电解特性的磷酸作为电解液，可使工作温度提高到160左右，冷却系统从而可以承受更高负荷的工况。这种燃料电池也不需要对反应气进行增湿，比传统的低温燃料电池有更广阔的发展前景。自呼吸式燃料电池不需要空压机和增湿器，空气端为敞开式，结构简单，适用于小功率的燃料电池车。同济大学已开发出一款基于自呼吸式燃料电池（净输出约5kW）的原

7、型车，可用于大型场馆的人员输送3。针对不同的市场应用范围，燃料电池堆和系统的供应商致力于研发相对应的产品（如表2所示）。表1 不同燃料电池技术的特点和应用类型优点缺点应用HT-PEMFC(90-120)对CO的容许量大；对热管理系统的要求低加工过程困难；金属元件易被腐蚀实验阶段LT-PEMFC(90)启动快；电流密度大对热管理系统要求高原型阶段自呼吸式无需空压机，系统效率高，结构简单输出功率低，很少用于交通运输工具中仅限小功率输出（0.2Mpa）功率密度大，冷启动简单功率损失大，密封要求高原型阶段低压力燃料电池（90-120）下或也可以在低温（0.10.1-20C0.010.010.010.0

8、12）催化剂PEMFC常用的催化剂是铂金属（Pt）。在早期的研究阶段，Pt被大量使用（如在1980年Pt的担载量为4 mg/cm2），经过多年的研发工作，目前Pt的担载量已降至0.2-0.4 mg/cm21314。Pt是贵重稀有金属，自然存储量有限，无法人工合成，寻求Pt的替代物以及开发PEMFC堆中Pt回收再利用技术是燃料电池技术可持续发展的重要工作。2008年，Science报道了澳大利亚的Bjorn Winther-Jensen及其同事用有机物质研发出了一种电极，它是由在Goretex 膜上生长的一种导电性多聚物组成的15。这种多孔膜巨大的表面积使得氧在其上的还原速率与在铂电极上的相当。

9、而且，与铂电极不同，这种有机电极的催化速率不会因为一氧化碳的存在而减慢。3）气体扩散层（GDL）PEMFC中的反应气体（氧和氢）必须经由GDL才能达到催化剂表面发生电化学反应，因此，GDL的性能指标必须满足如下要求16：l 必须有足够多的微孔使得反应气体和生成物水顺利通过；l 必须具有良好的导电性和导热性；l 与催化剂层接触的孔隙应保证电化学反应顺利进行；l GDL材料的机械强度足以支撑MEA。4）双极板PEMFC的双极板通常采用石墨和金属两种材料。石墨双极板因其体积较大、耐用性差、制造成本高将逐渐被金属双极板取代。表7列出了双极板技术现状和美国能源部根据车用燃料电池双极板的功能要求所提出的双

10、极板的期望指标。现状与期望指标仍有一定的差距。相关研究机构希望通过技术创新和新合成材料的使用等措施以达到期望指标1718。表7关于双极板的现状和期望指标特性单位2005200820102015成本$/kW10453质量Kg/kW0.360.300.40.4H2通过量cm3/seccm80, 3atm210-6-210-6210-6腐蚀性A/cm2111600-100100弯曲强度MPa34402525中跨挠度% 1.5-3.5-3-53-55）电堆的功率密度本文中定义的功率密度不仅包括体积比功率，还包括质量比功率。表8给出了一些公司及研究机构有关燃料电池体积比功率至2008年的数据，其中也有同

11、济大学的经验值和对2008年的估计。目前平均体积比功率约为1.5-1.8 kW/L。质量比功率影响燃料电池车的集成和质量分配。表9给出了与表8类似的质量比功率的有关信息。表8 燃料电池体积比功率至2008年的发展情况 时间 体积比功率（kW/L）公司2000年左右2003年左右20062008Honda0.451.31.9Ballard0.71.0-1.361.8美国Argonne实验室-2.07Nuvera-1.01.26TOYOTA1.11.2-GM0.77-7美国DOE目标-1.5同济经验-1.1同济估计-1.52表9 燃料电池堆质量比功率至2008年的发展情况 时间

12、质量比功率（kW/Kg）公司2000年左右2003年左右20062008HondaBallard0.7-0.92美国Argonne实验室-1.9Nuvera-0.7TOYOTA0.561.2-GM0.310.94-美国DOE目标-1.5同济经验-0.8同济估计-1.25表8和表9的数据显示，PEMFC系统功率密度逐年升高。其主要影响因素可以归结如下：l 新流场设计：流场的设计影响堆的体积与功率。例如Honda FCX燃料电池车的V型流场设计，使得电池堆功率密度高达1.9 kW/L。l 先进的制造技术；先进的制造技术使得更薄的双极板成为可能。l 新材料：对于相同功率输出，高功率

13、密度意味着堆体积更小。双极板占了电池堆的大部分体积，新材料如特种合金的出现，使双极板的厚度明显减少，从而使得电池堆的体积和质量减小，功率密度上升。3.2 PEMFC系统技术指标现状1）系统成本影响PEMFC商业化的一个主要因素是成本。2006年美国Argonne实验室所介绍的燃料电池系统的成本比例如图7所示8。该燃料电池系统功率为80 kW，它的堆成本为67$/kW，系统成本为108$/kW。这是一个理想估计，只是单纯考虑材料成本，不包括制造过程中的损失、研发成本等。根据Argonne的成本计算方式，目前燃料电池堆的成本为6770$/kW，系统成本为108110$/kW。当前燃料电池堆的售价范

14、围为722-1446$/kW，燃料电池系统的为1446-2892$/kW。需要指出的是，成本并不等于价格。从图7中可见，燃料电池堆成本占燃料电池系统成本的62%，其中电极的成本约为堆成本的77%。电极的成本主要取决于Pt的用量16。因此，减少Pt的担载量可以大大减少系统成本。图7 燃料电池系统成本比2）耐久性（运行寿命）系统耐久性概念是描述燃料电池系统开始投入运行后能正常工作多长时间 16。燃料电池系统的测试条件和性能的影响因素（例如机械退化和各部件间相互影响等）非常复杂，所以系统耐久性很难定量描述。由于燃料电池系统中BOP的运行寿命目前已经超过5000小时，达到了汽车应用中的基本要求。因此，

15、将堆的运行寿命用来间接描述PEMFC系统的耐久性是目前较为流行的一种权宜方法。另外，通过对如催化层、PEM、GDL和双极板的实验研究及性能诊断，可以做出一个用于研究燃料电池机械退化的时间函数19。随着技术的进步，以Ballard燃料电池堆为例，堆的运行寿命已经从2002年的200小时提高到2004年的2200小时。研究数据表明，质子交换膜燃料电池堆目前平均运行寿命在20003000小时之间20，而最长寿命可达4000小时21。3）冷启动 冷启动要求车辆在冰点以下的环境中，停机后可以在一定时间内重新启动。特别在低温（-40）环境下，冷启动是FCV商业化的技术瓶颈之一。在低温环境下，堆内会产生阻止

16、电化学反应的冰。 在冰点温度下，堆的启动问题已经有理论和实验的研究22。在2007年日本东京FC Expo会议报告上指出，Honda和Toyota的燃料电池发动机能在-30启动，GM和Daimler燃料电池发动机可以在-25启动 23。而对汽车冷启动的目标要求是在-40也可以启动。通过以下技术措施，有可能进一步改善燃料电池发动机冷启动性能22：l 增加阴极气体通道内的气体流速，因为这可以减少通道内水蒸气的积聚，从而减少阴极催化剂层结冰量；l 使用干燥度大的膜，它可以吸收更多水，减少冰的形成，从而改善冷启动过程；l 降低燃料电池的工作电流密度或者提高电池的电压，可以减少水的生成，从而改善冷启动过

17、程。实际中为了实现在冰点下的快速启动，工作电流和电压必须达到最优值，才能在期望的启动时间内产生最多的余热；l 增加启动时电池的温度可以大大减少冰的形成，但却会延长冷启动过程。因此，在质子交换膜燃料电池冷启动过程中，可以使用各种不同的内、外部加热法来改善冷启动性能。4）燃料电池系统效率 本文拟对燃料电池系统的效率作如下定义：其中、分别代表净输出功率和总功率，F、 和 分别代表法拉第常量、单电池数量和氢气低热值。由定义可知，燃料电池系统效率主要受辅助系统消耗电流（）与总电流（）的比值、过量氢气系数和平均单池电压的影响。降低值、减少过量氢气系数和提高平均单池电压有助于提高燃料电池系统效率。图9描述了

18、NuCellSys的HY80和 Toyota燃料电池发动机的系统效率24 23。从图中可以看到，系统的效率均有一个峰值，大约在58%到65%之间。在额定功率输出时，系统效率大约在40%-45%。图9 燃料电池系统效率图4 总结本文以车用质子交换膜燃料电池系统为对象，详细介绍了车用PEMFC系统各部件的功能和性能技术指标及技术发展现状。基于同济大学燃料电池发动机研发经验和大量的文献检索，可以对当前PEMFC系统（发动机）技术性能指标归纳如下：1）当前平均体积比功率估计可达1.5-1.8KW/L，质量比功率可达1.2-1.5KW/Kg；2）不考虑制造过程中的损失和研发成本，目前燃料电池堆的成本为6

19、770$/kW，系统成本为108110$/kW；3）系统寿命可达4000小时；4）燃料电池发动机可以在-30实现冷启动；5）对净输出功率70kw左右的车用燃料电池系统，当其净功率为10-15KW时，系统效率可达55%左右；额定工况下，系统效率约为40%。 致谢本项工作得到同济大学中德学院AVL李斯特基金教席“新型车辆动力”和上海浦江人才计划（08JP14094）的资助。参 考 文 献1 Gelfi, S, Stefanopoulou, A.G, Pukrushpan, J.T. Huei Peng, Dynamics of low-pressure and high-pressure fuel

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