1.4 燃料电池作为汽车动力源

1.4.1 燃料电池种类

1.质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC）采用亲水的氟化磺酸聚合物膜为电解质，通常采用铂/碳颗粒（Pt/C）作为催化剂。这种燃料电池运行在较低的温度（低于100℃）下，可以改变输出电流大小以满足动态功率输出要求。由于相对较低的温度和使用的贵金属铂基电极，这种电池必须在纯氢气条件下工作。质子交换膜燃料电池是目前轻型车辆和物料搬运车辆的主流先进技术，在固定设备和其他设施上也有小范围的应用。

质子交换膜燃料电池的一个变种是高温质子交换膜燃料电池，其可以在较高的温度下运行。通过把电解质膜由亲水氟化磺酸膜改造为基于无机矿物酸的材料，高温质子交换膜燃料电池可在高达200℃下运行。高温质子交换膜燃料电池能够使用含少量一氧化碳的燃料，辅助系统也因为不需要加湿器而变得更加简化。

质子交换膜燃料电池也被称为聚合物电解质膜燃料电池（Polymer electrolyte membrane fuel cell），它们的英文缩写都是PEMFC。

2.固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cell, SOFC）用固体电解质（陶瓷材料，如氧化锆和氧化钇），而不是液体或膜。它们的高工作温度意味着燃料可以在燃料电池内部进行重整。它们对燃料中的少量硫等有害物质也具有抗中毒性。因此与其他类型的燃料电池相比，它们的燃料来源广泛，比如可以使用天然气、煤制气等。高工作温度的另一个优点是，化学反应动力学得到改进，可以减少催化剂的使用。

3.直接甲醇燃料电池

直接甲醇燃料电池（Direct methone fuel cell, DMFC）是一种相对较新的燃料电池技术，它类似于质子交换膜燃料电池，使用聚合物膜作为电解质。直接甲醇燃料电池阳极中的铂钌催化剂能够从液体甲醇中抽氢，这样就可以省下燃料重整器，使得纯甲醇可以直接用作燃料。

4.碱性燃料电池

碱性燃料电池（Alkaline fuel cell, AFC）是最早发展的燃料电池技术之一，它使用碱性电解质，例如氢氧化钾溶液，并且供给纯氢燃料，典型的工作温度在70℃左右。碱性燃料电池不需要在系统中使用铂催化剂，而是可以使用各种非贵金属作为催化剂以加速在阳极和阴极处发生的反应。镍是碱性燃料电池单元中最常用的催化剂。

5.熔融碳酸盐燃料电池

熔融碳酸盐燃料电池（Molten carbonate fuel cell, MCFC）以多孔陶瓷基质中悬浮的熔融碳酸盐作为电解质。常用的熔融盐包括碳酸锂、碳酸钾和碳酸钠。熔融碳酸盐燃料电池系统可以使用多种不同燃料，包括煤气、沼气或天然气，没必要使用燃料重整器。

6.磷酸燃料电池

磷酸燃料电池（Phosphoric acid fuel cell, PAFC）使用液体磷酸为电解质。磷酸燃料电池的工作温度要比质子交换膜燃料电池和碱性燃料电池的工作温度略高，为150～200℃，一般需要在电极上添加铂金属催化剂来加速反应。阳极和阴极上的反应与质子交换膜燃料电池相同，但因为其工作温度较高，所以其阴极上的反应速度要比质子交换膜燃料电池的阴极反应速度快。

7.不同类型燃料电池特性对比

上述6种燃料电池，不仅在电解质、催化剂材料上不同，还具有不同的工作温度、适用燃料及生成物，不同类型的燃料电池特性对比见表1-6。

表1-6 不同类型燃料电池特性对比