1.2 燃料电池汽车动力系统中的电能来源

1.2.1 燃料电池的原理及其能量转换

PEMFC采用固体电解质，具备更好的稳定性，生成物为纯水，不存在化学腐蚀问题，电流密度高，响应速度快，使用寿命长，工作温度适中，温升比较快，适合车载快速启停工况。以上众多优点，决定了其成为车辆燃料电池应用的主流选择。PEMFC在低负载情况下可以获得更高的效率，尤其适合在车载工况下使用，且使用纯氢作为燃料的发电系统在冷启动、系统结构以及效率方面比直接使用甲醇和带重整器的质子交换膜燃料电池具有更大的优越性。因此，事实上，现阶段在民用车辆上应用的燃料电池汽车动力系统绝大多数都选择以纯氢作为燃料的质子交换膜燃料电池，而本书将只对这种类型的燃料电池发电及其动力系统进行介绍，如果没有特别说明，后文中提到的燃料电池均特指这种类型。

如图1-15所示，燃料电池单体是由两个电极夹着电解质的“三明治”结构。质子交换膜的特性是可以通过质子，而电子不能通过，因此，一定压力的氢气通过极板上的流场供应到阳极，然后经阳极通过气体扩散层（Gas Diffusion Layer，GDL）到达催化层（Catalyst Layer，CL），在催化剂的作用下，发生如下的电极反应：

反应产生的电子经外电路到达阴极，氢离子则穿过质子交换膜到达阴极，在阴极，氧气和氢离子在催化剂的作用下反应生成水和热量：

将两个半反应合成，完整的燃料电池反应过程可以表述为

图1-15 质子交换膜燃料电池工作原理

通过上述反应，燃料和氧化剂被消耗，燃料电池将燃料（还原剂，如氢气）和氧化剂（如氧气）的化学能转化为电能（Ee），同时生成热能（Heat）和水，生成的水通过电极流场随反应的尾气排出，水的形态既有液态，也有气态。

在标准状况下，按照热力学理论计算，在近似于零的电流下，燃料电池的理论最高效率为83%，但在实际使用过程中，受电流作用下燃料电池的极化过程影响，电堆的实际效率大大降低，再加上燃料电池支持系统的损耗，燃料电池发电系统效率与理论值相去甚远，现阶段，系统在额定状态下的效率一般在50%左右。