燃料動(dòng)力電池車(chē)是電動(dòng)汽車(chē)嗎？

燃料動(dòng)力電池車(chē)是以燃料動(dòng)力電池為能量源驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛。注意，是能量源而非動(dòng)力源，燃料動(dòng)力電池車(chē)通過(guò)燃料動(dòng)力電池出現(xiàn)電能，供應(yīng)給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。所以動(dòng)力源仍然是電動(dòng)機(jī)，所以，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，燃料動(dòng)力電池車(chē)是電動(dòng)汽車(chē)。

燃料動(dòng)力電池是電池嗎？

在有些文獻(xiàn)中，燃料動(dòng)力電池也會(huì)被稱(chēng)為燃料動(dòng)力電池發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗倪\(yùn)作原理和狹義的電池并不相同。它并不是儲(chǔ)能元件，它不能像鋰離子電池那樣儲(chǔ)存電能，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，燃料動(dòng)力電池算是一種發(fā)電機(jī)，和發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)似，要外界輸入的燃料（氫氣），讓氫氣在電池堆內(nèi)與氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)電能。

但現(xiàn)在電池也可以廣義的指代出現(xiàn)電能的裝置，如太陽(yáng)能電池，所以從這個(gè)角度，燃料動(dòng)力電池（FuelCell）也可以算是電池。

燃料動(dòng)力電池是如何發(fā)電的

在初中的時(shí)候大家都學(xué)過(guò)電解水制氫氣和氧氣的試驗(yàn)吧，燃料動(dòng)力電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)就是把這個(gè)過(guò)程反過(guò)來(lái)，往燃料動(dòng)力電池中輸入氫氣和氧氣，陽(yáng)極，氫氣在催化劑的用途下失去電子，成為氫離子（也就是質(zhì)子），質(zhì)子透過(guò)燃料動(dòng)力電池的核心元件：質(zhì)子交換膜，來(lái)到陰極，與氧氣反應(yīng)，生成水。

等等，要反應(yīng)的話(huà)是不是還缺了什么？對(duì)，還少了電子，陰極氫氣失去的電子通過(guò)外電路來(lái)到陽(yáng)極，參與反應(yīng)。而電子經(jīng)過(guò)外電路的這個(gè)過(guò)程是不是也有即視感？這不就是電流嗎？

于是，經(jīng)過(guò)這樣很簡(jiǎn)單的反應(yīng)，就讓電子從氫原子中脫離了，到外電路走了一圈，出現(xiàn)了電流。

注意，燃料動(dòng)力電池也分為很多種類(lèi)，有的燃料動(dòng)力電池可以使用甲醇作為燃料，其實(shí)燃料動(dòng)力電池的能量轉(zhuǎn)化核心在于電化學(xué)反應(yīng)（氧化還原反應(yīng)：[O]+[R]→[P]+Energy，[O]、[R]、[P]分別代表氧化劑、還原劑、反應(yīng)生成物），只要能夠在反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)得失電子的過(guò)程即可，并不規(guī)定氧化劑、還原劑究竟要什么。當(dāng)然現(xiàn)在大部分燃料動(dòng)力電池都是采用氫氣作為燃料。上圖展示的為PEMFC，質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池，也是當(dāng)前最主流的車(chē)用燃料動(dòng)力電池。

為何燃料動(dòng)力電池車(chē)

能夠解決純電動(dòng)汽車(chē)的里程焦慮

了解了燃料動(dòng)力電池是如何發(fā)電，那么這個(gè)問(wèn)題就迎刃而解了。燃料動(dòng)力電池并不要充電，為其補(bǔ)充氫氣和加油在時(shí)間上并沒(méi)有什么差別，3、5分鐘就能搞定。比起充電自然是快了許多，而相關(guān)于混合動(dòng)力車(chē)型，燃料動(dòng)力電池則有著無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)。但是，當(dāng)前制約燃料動(dòng)力電池汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵因素除了燃料動(dòng)力電池本身性能、成本上的不足之外，加氫站的建設(shè)也拖了后腿。

加氫站的建設(shè)并非一家車(chē)企能夠解決的，就算豐田開(kāi)放氫燃料動(dòng)力電池專(zhuān)利，鼓搗著建立燃料動(dòng)力電池汽車(chē)聯(lián)盟也不行，這種要求分布廣泛，數(shù)量眾多的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)必須依靠政府的力量，比起電能，氫氣的運(yùn)輸儲(chǔ)存對(duì)安全的要求更高。

燃料動(dòng)力電池的分類(lèi)

燃料動(dòng)力電池的概念是1839年G.R.Grove提出的，至今已有大約160年的歷史。按工作溫度不同，燃料動(dòng)力電池可分為低溫燃料動(dòng)力電池（小于100℃）、中溫燃料動(dòng)力電池（100-600℃）及高溫燃料動(dòng)力電池（大于600℃）三類(lèi)。而根據(jù)用途來(lái)分類(lèi)，則可以分為：固定式燃料動(dòng)力電池，重要用于發(fā)電站（分為大功率集中式發(fā)電站與小型家用的分布式電站）；移動(dòng)型燃料動(dòng)力電池，用于車(chē)輛、特種等交通工具；便攜式燃料動(dòng)力電池，用于手機(jī)、筆記本電腦等便攜設(shè)備。

當(dāng)然，最為普遍的分類(lèi)是按照其電解質(zhì)類(lèi)型來(lái)分類(lèi)，可以分為5種：堿性燃料動(dòng)力電池（AFC）、磷酸型燃料動(dòng)力電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料動(dòng)力電池伽（MCFC）、固體氧化物燃料動(dòng)力電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池（PEMFC）。他們的特點(diǎn)如下：

質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池

質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池，又稱(chēng)為固態(tài)聚合物電解質(zhì)燃料動(dòng)力電池（SolidPolymerElectrolyteFuelCell，SPEFC）或聚合物電解質(zhì)膜燃料動(dòng)力電池（PolymerElectrolyteMembranesFuelCell，PEMFC），是一種新型清潔能源發(fā)電裝置，其研制始于上世紀(jì)60年代，最初由通用電氣公司專(zhuān)門(mén)為美國(guó)國(guó)家特種航天局設(shè)計(jì)制造，應(yīng)用于后者雙子星座飛船計(jì)劃中。隨著PEMFC制造及相關(guān)控制技術(shù)不斷發(fā)展，如今其不僅在航天、特種等特殊領(lǐng)域有突出應(yīng)用，更在分散電站，電動(dòng)汽車(chē)，移動(dòng)電源等方面顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池的核心組件就是所謂的質(zhì)子交換膜，學(xué)名叫全氟磺酸質(zhì)子交換膜，目前重要商業(yè)引用的是美國(guó)杜邦公司開(kāi)發(fā)的Nafion系列膜，其他公司的產(chǎn)品則有日本朝日化學(xué)的Aciplex膜、美國(guó)Dow公司的Dow膜等。

它起到傳輸離子的電解質(zhì)的用途，只不過(guò)和我們通常概念中的電解液不同，它是固態(tài)的。因而，在質(zhì)子交換膜燃料動(dòng)力電池中，它允許質(zhì)子通過(guò)，但隔斷陰陽(yáng)極反應(yīng)物，防止氫氣和氧氣直接接觸發(fā)生反應(yīng)（假如氫氣氧氣直接接觸就會(huì)燃燒，電子就不會(huì)通過(guò)外電路了）。

Nafion的化學(xué)結(jié)構(gòu)

全氟磺酸型質(zhì)子交換膜是由碳氟主鏈構(gòu)成疏水的骨架，側(cè)鏈的磺酸根則具有親水性，這個(gè)疏水∕親水的微相分離結(jié)構(gòu)既具有良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性又可以為質(zhì)子傳導(dǎo)供應(yīng)通道。另一方面，由于氟原子具有的強(qiáng)吸電性使側(cè)鏈的磺酸根酸性增強(qiáng)，因此，全氟磺酸型質(zhì)子交換膜具有高的電導(dǎo)率。

在中心的質(zhì)子交換膜兩邊則是催化劑層，一般使用鉑金和碳組合制成，正因?yàn)橐褂勉K金，燃料動(dòng)力電池價(jià)格始終高昂。雖然致力于其他替代材料，但他們的催化效果并不如Pt/C更好。

再往外就是氣體擴(kuò)散層和雙極板。氣體擴(kuò)散層的用途是讓參與反應(yīng)的氣體（氫氣、氧氣）更好的與催化劑接觸，從而獲得更好的反應(yīng)速度與效率，減少損失。和內(nèi)燃機(jī)通過(guò)高壓噴射燃油提高燃油的霧化效果類(lèi)似。

雙極板就是我們通常說(shuō)的正負(fù)極了，但是注意，雙極板的雙代表著在這一塊板上有兩個(gè)電極，一面充當(dāng)正極，另一面充當(dāng)負(fù)極，注意，這并不是同一節(jié)電池的正負(fù)極，而是分別作為兩個(gè)電池的正極和負(fù)極。燃料動(dòng)力電池一般不以單體形式存在，都是將一個(gè)個(gè)單體首尾相連，串聯(lián)成一個(gè)電堆，于是前一節(jié)燃料動(dòng)力電池單體的負(fù)極的背面就是后一節(jié)電池的陽(yáng)極，形成了雙極板。

雙極板除了作為電極之外，它上面還會(huì)布置流道，用途是讓引導(dǎo)反應(yīng)氣體在燃料動(dòng)力電池內(nèi)的流動(dòng)新增反應(yīng)面積，并使其分布均勻，獲得均一的電流密度，還要將反應(yīng)出現(xiàn)的水排除。流道的設(shè)計(jì)有直道式、蛇形、變截面、交趾型等，上圖中那些溝溝壑壑就是流道。